Detta är ett schematiskt schema i skalen av en elektronisk sensor med knäckt nanotråd som sonderar den intracellulära regionen av en cell. Den tvåterminala enheten har en tredimensionell och flexibel struktur med nyckeltransistorelementet i nanoskala syntetiskt integrerat i spetsen av den spetsvinklade nanotrådsnanostrukturen. 3-D nanoprober modifierade med fosfolipidbilager går in i enstaka celler på ett minimalt invasivt sätt för att möjliggöra robust inspelning av intracellulär potential. Kredit:med tillstånd av Charles Lieber, Harvard Universitet.
Kemister och ingenjörer vid Harvard University har gjort nanotrådar till en ny typ av V-formad transistor som är tillräckligt liten för att användas för känslig sondering av cellers inre.
Den nya enheten, beskrivs denna vecka i journalen Vetenskap , är mindre än många virus och ungefär en hundradel av bredden på sonderna som nu används för att göra cellmätningar, som kan vara nästan lika stora som själva cellerna. Dess smalhet är en markant förbättring jämfört med dessa skrymmande sonder, som kan skada celler vid införande, minskar noggrannheten eller tillförlitligheten av alla insamlade data.
"Vår användning av dessa fälteffekttransistorer i nanoskala, eller nanoFET, representerar den första helt nya metoden för intracellulära studier på decennier, såväl som den första mätningen av insidan av en cell med en halvledarenhet, " säger seniorförfattaren Charles M. Lieber, Mark Hyman, Jr. professor i kemi vid Harvard. "NanoFET är det första nya elektriska mätverktyget för intracellulära studier sedan 1960-talet, under vilken tid har elektroniken utvecklats avsevärt."
Detta visar leveransen av en tvåterminals nanoskala transistorsensor till enstaka celler. Enheten har en tredimensionell och flexibel struktur med det viktiga nanoskala fälteffekttransistorelementet syntetiskt integrerat i spetsen av nanostrukturen med spetsvinklar nanotråd. 3-D nanoprober modifierade med fosfolipidbilager går in i enstaka celler på ett minimalt invasivt sätt för att möjliggöra robust inspelning av intracellulär potential. Kredit:med tillstånd av Charles Lieber, Harvard Universitet.
Lieber och kollegor säger att nanoFET kan användas för att mäta jonflöde eller elektriska signaler i celler, speciellt neuroner. Anordningarna skulle också kunna förses med receptorer eller ligander för att undersöka förekomsten av individuella biokemikalier i en cell.
Mänskliga celler kan variera i storlek från cirka 10 mikron (miljondelar av en meter) för nervceller till 50 mikron för hjärtceller. Medan strömsonder mäter upp till 5 mikron i diameter, nanoFET är flera storleksordningar mindre:mindre än 50 nanometer (miljarddelar av en meter) i total storlek, med själva nanotrådssonden som bara mäter 15 nanometer i diameter.
Detta är en optisk bild av en tvåterminal nanotrådsnanosond internaliserad av en enda cell. Enheten har en tredimensionell och flexibel struktur med det viktiga nanoskala fälteffekttransistorelementet syntetiskt integrerat i spetsen av nanostrukturen med spetsvinklar nanotråd. 3-D nanoprober modifierade med fosfolipidbilager går in i enstaka celler på ett minimalt invasivt sätt för att möjliggöra robust inspelning av intracellulär potential. Kredit:med tillstånd av Charles Lieber, Harvard Universitet
Förutom deras ringa storlek, två funktioner möjliggör enkel insättning av nanoFET i celler. Först, Lieber och kollegor fann att genom att belägga strukturerna med ett fosfolipiddubbelskikt - samma material cellmembran är gjorda av - dras enheterna lätt in i en cell via membranfusion, en process relaterad till den som används för att uppsluka virus och bakterier.
"Detta eliminerar behovet av att trycka in nanoFET:erna i en cell, eftersom de i huvudsak är sammansmälta med cellmembranet av cellens eget maskineri, ", säger Lieber. "Detta betyder också att införandet av nanoFET inte är lika traumatiskt för cellen som nuvarande elektriska sonder. Vi fann att nanoFET kan sättas in och tas bort från en cell flera gånger utan någon märkbar skada på cellen. Vi kan till och med använda dem för att mäta kontinuerligt när enheten går in och ut ur cellen."
För det andra, det aktuella dokumentet bygger på tidigare arbete av Liebers grupp för att introducera triangulära "stereocenter" - i huvudsak, fixerade 120º leder - till nanotrådar, strukturer som tidigare varit styvt linjära. Dessa stereocenter, analogt med de kemiska nav som finns i många komplexa organiska molekyler, introducera kinks i 1-D nanostrukturer, omvandla dem till mer komplexa former.
Lieber och hans medförfattare fann att införandet av två 120º vinklar i en nanotråd i rätt cis-orientering skapar en enda V-formad 60º vinkel, perfekt för en tvåsidig nanoFET med en sensor vid spetsen av V. De två armarna kan sedan kopplas till ledningar för att skapa en ström genom nanotransistorn.
