Mass and stiffness spectrometry of nanoparticles and bio-molecules by nanoelectromechanical systems

Abstract

KÜtle Spektrometrisi moleüllerin kÜtlesinin Ölçülmesinde sıklıkla kullanılanbir tekniktir. Nanoelektromekanik Sistemler kullanılarak sensör üzerine gelenparçacığın kütlesini ve mekanik yapı üzerindeki konumunu bulmak, yapının ilkiki titreşim mod frekansındaki değişimlere bakılarak mümkündür. Ayrıca üç modtitreşim modundaki frekans kaymaları ile de Esneklik Katsayısı, kütle ve mekanikyapı üzerindeki pozisyon bilgilerine ulaşmak mümkündür. Daha fazla mekanikmoddan alınan frekans değişimi bilgileri yumuşak analitlerin şekil özelliklerineulaşmak için kullanlabilir ve global şekil bilgisinin oluşturulmasına izin verir.Deneyleri gerçekleştirmek için kullanılan cihazların üretim aşamaları BilkentÜniversitesi'ndeki Uluslararası Nanoteknoloji Merkezi'nde ve Sabancı ÜniversitesiNanoteknoloji Araştrma ve Uygulama Merkezi'nde tamamlanmıştır. İlk olarakElektrospray Iyonizasyon yöntemi ile moleküllerin oluşturulması ve NEMS'eiletilmesi için düşük vakumda kullanılacak deney düzeneği kurulmuştur. Silikondevre levhasının arkadan KOH ile aşındırılması ile çift ankastreli yapı üretilmiştir.ancak bu yöntemle üretim tekrar edilmesi zor ve zahmetlidir. Daha sonra, analitiNEMS yüzeyine göndermek için Matriks Destekli Lazer Yüzeyden Çıkarmave İyonizasyon (MALDI) yöntemi altın nanoparçacıkları ,HeLa hücrelerindenalınan sentrozom organeli ve M13ke bakteriyofaj deneylerinde kullanılmıştır. Çiftankastreli yapının ilk dört düzlem dışı modu gerçek zamanlı deneylerde kullanılmıştır. Biyomolekül deneylerinde matrix tuzunun yapının tüm yüzeyinin kaplanmamasına çalışılmıştır. Faza kilitli Çevrim yöntemi her mod için eş zamanlı olarak uygulanmıştır. Yüzeye tutunan analitin yarattığı frekans kaymalarını kullanarak kütle, büyüklük, Esneklik Katsayısı ve pozisyon ölçümü için analitinyarıküre olduğu varsayılarak bir yöntem önerilmiştir ve üç mod frekans kaymaları kullanılarak kütle, Esneklik Katsayısı ve pozisyon değerleri bulunmuştur.

Mass spectrometry (MS) is a technique used frequently in mass measurements in order to identify mass ofthe molecules. Nanoelectromechanical systems are highly sensitive to adhered species, thususing NEMS devices, it is possible to perform NEMS-MS where not only the inertial mass ofthe molecules but also the position of the adhered particle can be found out by resolving theadsorbate-induced frequency shifts in the first two modes.By usingfrequency shifts obtained from three mechanical modes, it is possible to obtain stiffness of theadsorbate in addition to its mass and position on the resonator when the Young's modulusof the analyte and the resonant structure are comparable. For soft analytes, multimodeinformation can be used to obtain shape properties of analytes and allows for imagereconstruction from global image features. In order to conduct our experiments, we fabricate NEMS resonators whose transduction method is electrothermal actuation and piezoresistive detection.Fabrications of the devices are completed in National Nanotechnology Research Center (UNAM) in Bilkent University and Sabanc{/i} University Nanotechnology Research and Application Center (SUNUM).Initially, low vacuum apparatus is built to perform NEMS-MS using Electrospray Ionization(ESI) for molecule delivery. In order to direct particles to resonator, the fabrication of a doubly clamped beam is planned in a way that the orifice was etched through silicon wafer fromthe backside with KOH etch.This fabrication method, however, is tedious and hard to fabricateconsistently.Then, Matrix Assisted Laser Desorption and Ionization (MALDI) is implemented to deliver particles towards the resonator.Different analyte types which are gold nanoparticles, centrosome organelles of HeLa cells and M13ke bacteriophages are used in the experiments.We use first four out-of-plane modes of the doubly-clamped beam resonator for real-time study of the adsorbates. For biomolecule detection, care was taken to prevent uniform coverage of matrixmolecules. Phase-locked-loop(PLL) operation is simultaneously performed for the first fourmodes of the resonator.Using frequency shifts of the four modes due to the adsorption, we propose a method in which we assume the analytes adhered on the beam are hemispherical to obtain mass and stifffness, size and positions of the analytes. Using three mechanical modes, stiffness, mass and position vaues are calculated.