Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut of Bio- and Nanosystems Label-free detection of biomolecules by a f ield-effect transistor microarray biosensor with bio-functionalized gate surfaces Yinhua Han Berichte des Forschungszentrums Jülich 4227 Label-free detection of biomolecules by a field-effect transistor microarray biosensor with bio-functionalized gate surfaces Yinhua Han Berichte des Forschungszentrums Jülich ; 4227 ISSN 0944-2952 Institute of Bio- and Nanosystems Jül-4227 D 82 (Diss., RWTH Aachen, 2006) Zu beziehen durch: Forschungszentrum Jülich GmbH · Zentralbibliothek, Verlag D-52425 Jülich · Bundesrepublik Deutschland (cid:1) 02461 61-5220 · Telefax: 02461 61-6103 · e-mail: [email protected] Abstract The aim of this work was to bio-functionalize the SiO gate of ion-sensitive field-effect 2 transistor (ISFET) to covalent bind DNA sequences via a series of chemical reactions. On the modified surface, the detection of the DNA hybridization and in particular single nucleotide polymorphism (SNP) detection was achieved. Furthermore, to explore the working principle of the field-effect detection, polyelectrolyte multilayers (PEMs) buildup and recognition reaction of biotin and streptavidin were also analyzed with the ISFET biosensors. Up to now, labeling detection systems dominated the DNA detection bioassays. Here either the probe or the catcher DNA are labeled with fluorescence-, radioactive- or enzymatic-labels. In recent years, many new approaches for signal generation that avoid labeling have been reported. Based on the demand of a fast, cheap, highly sensitive, label-free and direct electronic readout, ISFET biosensor are ideally suited. In my work, I started with bio-functionalization of SiO control substrates, leading to a 2 covalent binding of the probe biomolecules, i.e. single stranded DNA and biotin. In this surface modification process, a step-by-step protocol was setup, firstly cleaning/activation with MeOH/HCl for 30 mins generated the highest -OH bond density. Secondly, silanization with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) in gas phase left a thinner, more homogeneous silane layer. Crosslinking with succinic anhydride solution for 2 hours controlled the following DNA immobilization. The DNA position-specific microarrays for hybridization detection were fabricated by a custom-made aligned microspotter system. The DNA-DNA hybridization has higher efficiency in higher ionic strength solution (SSC buffer solution) and higher selectivity for SNP detection in lower ionic strength TE buffer solutions. All bioassay protocols were successfully transferred to the fully encapsulated ISFET devices and were “mild” enough for the encapsulation material of the chips. In the direct current (DC) readout, ISFETs as a potentiometric biosensors monitor the change of the solid/liquid interface potential caused by the attachment of biomolecules. To investigate the detection principle of the ISFETs in general, polyelectrolyte multilayers (PEMs) were used as a model system. During the layer-by-layer buildup, the thickness of the PEMs and the outer charge of the layer system are changing, which can be recorded by the ISFETs. The recorded results confirmed the surface charge sensitivity of the ISFETs. With increasing distance away from the surface, the charge detection of the ISFETs decreased exponentially. To reduce the long-term drift of the FET readout and exclude possible side effects from temperature, pH changes, and buffer solutions etc., a reference chip or a reference channel were used to perform differential readout detections. The DNA immobilization between covalent binding and electrostatic adsorption caused a gate voltage change of 4mV. It confirmed that the covalent binding of DNA immobilization introduced a higher surface coverage compared to the electrostatic adsorption. The differential DNA hybridization between a perfect matched (PM) and a fully mismatched (FMM) probe sequence also gave a clear signal. However, the SNP is barely distinguishable in DC readout as potential changes. Therefore, ISFETs as impedimetric biosensors were developed to record the impedance change at the gate input in an alternating current (AC) mode. In the optimized detection solution, a reliable recording of ex-situ SNP was achieved and in-situ detection showed DNA hybridization kinetically. In the first proof of principle experiment, the adding of gold-nanoparticle (AuNPs) to the target DNA did not enhance the selectivity of the SNPs detection, which confirmed the valid charge sensitive of ISFET in electrical double layer. Furthermore, in-situ and ex-situ measurements of biotin/streptavidin binding revealed distinct effects on the transfer function curves. The recordings of the multilayer buildup in AC and DC readouts modes offered details for the principle explanation of the signals and evidence about the main components in the equivalent circuit simulations. The main parameters such as contact lane capacitance and solution resistance were firstly identified and the influence of a biomembrane attached to the ISFET gate was in a first approximation modeled. Zusammenfassung Das Ziel dieser Arbeit war die Biofunkionalisierung von SiO Gates in ionensensitiven 2 Feldeffekttransistoren (ISFET), um DNA Sequenzen kovalent durch eine Reihe von chemischen Reaktionen zu binden. Es gelang, DNA Hybridisierung und insbesondere Einzel-Nukleotid- Polymorphismen auf der modifizierten Oberfläche nachzuweisen. Des weiteren wurde, um das Prinzip der Feldeffektdetektion zu untersuchen, der Aufbau von Polyelektrolyten sowie die Detektion von Biotin und Streptavidin Reaktionen mit den ISFET Biosensoren analysiert. Bis jetzt haben Systeme basierend auf dem Etikettierungsansatz den Markt der DNA Bioassays dominiert. Bei diesem Verfahren wird entweder die Sonden oder Ziel-DNA mit einer fluoreszierenden, radioaktiven oder enzymatischen Markierung versehen. In den letzten Jahren sind viele alternative Verfahren vorgestellt worden, die das Markieren umgehen. Basierend auf der Nachfrage nach schnellen, billigen, höchst empfindlichen und markierungsfreien Systemen ist der ISFET Biosensor bestens geeignet. In meiner Arbeit habe ich mit der Biofunktionalisierung von SiO Kontrollsubstraten 2 begonnen. Dies funkionalisierung führt zu einer kovalenten Bindung des Probenmoleküls z.B. Einzelstrang DNA und Biotin. Für diese Oberflächenfunktionalisierung wurde ein Protokoll eintwickelt, das aus folgenden Schritten besteht: Zuerst wir die Probe mit MeOH/HCL für 30 min gesäubert und aktiviert. Dies generiert die höchste Dichte an -OH Bindungen. In einem zweiten Schritt hinterlässt die Silanisierung mit 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) aus der Gasphase eine dünne und homogene Silanschicht. Eine Vernetzung mit succinic anhydride Lösung für zwei Studen kontrollierte die darauffolgende DNA Immobilisierung. Die DNA positionsspezifischen Matrizen für die Hybridisierungsdetektion, wurden mittels eines Microspottersystems hergestellt. Die DNA-DNA Hybridisierung hat eine höhere Effiktivität in Lösungen mit einer hohen Ionenstärke (SSC Pufferlösung) und eine höhere Selektivität für SNP Detektion in Lösungen mit einer geringen Ionenstärke (TE Pufferlösungen). Alle bioassay Protokolle wurden erfolgreich für verkapselte ISFETs adaptiert. Bei der Gleichstrommessung, arbeiten die ISFETs als ein potientiometrischer Biosensor, welcher die Veränderung des Potentials der fest/flüssig Grenzschicht detektiert. Dieses Potential wird durch ein andockendes Biomolekül verändert. Um das generelle Detektionsprinzip zu untersuchen wurden Polyelektrolyte als Modellsystem verwendet. Während das lagenweisen Aufbaus, verändern sich die Dicke und Ladung des PEM systems. Dies kann mit ISFET detektiert werden. Die Aufnahmen bestätigten die Oberflächenladungsempfindlichkeit des ISFETs. Mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche, nahm die Ladungsdetektion exponentiell ab. Um die Langzeitdrift des FETS zu reduzieren und um mögliche unerwünschte Einflüsse von Temperatur, pH Wert, Pufferlösung etc. zu verhindern wurde ein Referenzchip oder Referenzkanal für eine differentielle Messung benutzt. Die DNA Immobilisierung zwischen kovalenter Bindung und elektrostatischer Absorption resultierte in einer Änderung der Gatespannung um 4mV. Dies bestätigte, dass die kovalente Bindung der DNA Immobilisierung eine bessere Flächenabdeckung herbeiführte, als eine elektrostatische Absorption. Die differentielle DNA Hybridisierung zwischen einer perfekt übereinstimmenden Probe (PM) und einer vollkommen fehl angepassten Probe (FMM) gab auch ein klares Signal. Allerdings ein Einzel-Nukleotid-Polymorphismus nur schwer im Gleichstrommodus zu erkennen. Darum wurden impedimetrische ISFETs entwickelt, mittels denen die Veränderung der Impedanz im Wechselstrombereich am Gate gemessen werden konnte. In der optimierten Detektionslösung wurde eine verlässliche Methode gefunden um ex-situ Einzel-Nukleotid-Polymorphismen nachzuweisen. In-Situ Messungen zeigten die Kinetik der DNA Hybridisierung. In einem ersten “Proof of principle“ Experiment wurde die Selektivität für die Detektion von Einzel-Nukleotid Polymorphismen durch Zugabe von gold Nanopartikeln nicht verbessert. Dies bestätigte die korrekte Ladungsempfindlichkeit im ISFET “double layer“. Des weiteren wurde in in-situ und exsitu Messungen von Biotin/Streptavidin Bindungen eine klare Veränderung der Transferkennlinie beobachtet. Die Aufnahmen des Multilagenaufbaus im Gleichstrom- und Wechselstrombereich ergaben Hinweise auf das Funktionsprinzip der Detektion sowie erste Größen für die Komponenten im elektrischen Ersatzschaltbild. Die Hauptparameter wie Leiterbahnkapazität und Widerstand der Lösung wurden identifiziert und der Einfluss einer angehefteten Biomembrane auf dem ISFET wurde in erster Näherung simuliert. Table of Contents Acknowledgements ................................................................................................................i Chapter I Introduction............................................................................................................1 Chapter II Bioelectronic sensor principles.............................................................................5 2.1 ISFET structure and field-effect principle............................................................5 2.1.1 Fermi level.......................................................................................5 2.1.2 The metal-semiconductor structure..................................................7 2.1.3 MOSFET structure and field-effect ...............................................11 2.1.4 Ion-sensitive field-effect transistor (ISFET)..................................13 2.2 SiO /electrolyte interface...................................................................................16 2 2.2.1 Electrical double layer at the solid-liquid interface.......................17 2.2.2 pH sensitivity of ISFETs................................................................20 2.2.3 Attachment of biomolecules to the gate surface of ISFETs...........22 2.3 Transistor transfer function................................................................................24 Chapter III Materials and Methods.......................................................................................29 3.1 Properties of polyelectrolytes & biomolecules..................................................29 3.1.1 Polyelectrolyte properties..............................................................30 3.1.2 DNA structure and charge..............................................................34 3.1.3 Structure of streptavidin and the affinity reaction with biotin.......38 3.2 Characterization methods...................................................................................40 3.2.1 Contact Angle (CA) measurements................................................40 3.2.2 Atomic Force Microscopy (AFM).................................................42 3.2.3 Imaging Ellipsometry (IE).............................................................43 3.2.4 Fourier Transform Infra-Red (FT-IR) Spectroscopy......................45 3.2.5 Fluorescence microscopy...............................................................46 3.2.6 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)....................................47 3.2.7 Aligned microspotting of biomolecules.........................................49 3.3 ISFET amplifier system.....................................................................................50 3.3.1 ISFET amplifier setup.........................................................................50 3.3.2 Equivalent circuits for signal interpretation........................................52 Chapter IV Results and Discussions.....................................................................................57 4.1 Surface modification..........................................................................................57 4.1.1 Defined interface architecture for the ISFET sensor......................58 4.1.2 Covalent immobilization of oligonucleotides at the modified