Simulation Study of Field-effect Transistor Based Cylindrical Silicon Nanowire Biosensor: Effect of Length and Radius of the Nanowire

Abstract

In the present report, we have simulated the FET based silicon nanowire biosensor and studied the effect of nanowire length and radius on the different functional characteristics of the silicon nanowire biosensor. We have used BioSensorLab open source simulation tool for the present investigation. Particularly, we have studied the effect of nanowire length and radius on conductance modulation with respect to target molecule density, conductance modulation with respect to buffer ion concentration, nanowire surface potential with respect to pH, signal to noise ratio (SNR) with respect to receptor density, settling time with respect to analyte concentration and density of captured molecule with respect to detection time. We have taken into account the electrostatic interaction between receptor molecules and target biomolecules, which is based on the Diffusion-Capture model. The results suggested that the higher conductance modulation can be achieved at the higher target molecule density with a larger radius of the silicon nanowire. On the other hand, maximum conductance modulation is observed at the lower radius of the silicon nanowire with lower buffer ion concentration. The simulation results suggested that the surface potential of the nanowire tends to decrease as the pH increases for both cases (nanowire length and radius). No significant effect on the signal to noise ratio due to the change in the nanowire length and radius was observed. It is observed that the nanowire length does not affect the settling time; however, change in the nanowire radius shows the significant effect on the settling time. In the nutshell, the nanowire length and radius significantly affect the performance parameters of the FET based silicon nanowire biosensor.

У даній статті ми моделювали біосенсор у вигляді кремнієвого нанодроту на основі польового транзистора і вивчали вплив довжини та радіусу нанодроту на різні функціональні характеристики біосенсора. Для цього дослідження ми використали інструмент моделювання BioSensorLab з відкритим вихідним кодом. Зокрема, ми вивчали вплив довжини і радіусу нанодоту на модуляцію провідності по відношенню до щільності молекул-мішеней, модуляцію провідності щодо концентрації буферних іонів, варіацію потенціалу поверхні нанодроту щодо рН, зміну відношення сигнал/шум щодо щільності рецептора, варіацію часу осадження щодо концентрації і зміну щільності захопленої молекули щодо часу виявлення. Ми взяли до уваги електростатичну взаємодію між молекулами рецептора і біомолекулами-мішенями, що базується на моделі дифузійного захоплення. Результати показали, що більш високу модуляцію провідності можна досягти при більш високій щільності молекул-мішеней з більшим радіусом кремнієвого нанодроту. З іншого боку, максимальна модуляція провідності спостерігається при меншому радіусі кремнієвого нанодроту з меншою концентрацією буферних іонів. Результати моделювання показали, що поверхневий потенціал нанодроту має тенденцію до зменшення, оскільки величина рН зростає в обох випадках (довжина і радіус нано-дроту). У свою чергу, істотного впливу на відношення сигнал/шум через зміну довжини і радіусу нанодроту не спостерігалося. Було також виявлено, що довжина нанодроту не впливає на час осадження, проте на нього значним чином впливає зміна радіуса нанодроту. Таким чином, довжина і радіус нанодроту суттєво впливають на робочі параметри біосенсора на базі польового транзистора.