Sviluppo e funzionalizzazione di transistor ad effetto di campo in grafene elettrolitico-gated per il rilevamento di biomarcatori
Summary
Il presente protocollo dimostra lo sviluppo del biosensore EGGFET (Electrolyte-gated Graphene Field-Effect Transistor) e la sua applicazione nel rilevamento di immunoglobuline G (IgG) biomarcatori.
Abstract
Nel presente studio, il grafene e i suoi derivati sono stati studiati e utilizzati per molte applicazioni, tra cui elettronica, rilevamento, accumulo di energia e fotocatalisi. La sintesi e la fabbricazione di alta qualità, buona uniformità e bassi difetti il grafene sono fondamentali per dispositivi ad alte prestazioni e altamente sensibili. Tra i molti metodi di sintesi, la deposizione chimica da vapore (CVD), considerata un approccio leader per la produzione di grafene, può controllare il numero di strati di grafene e produrre grafene di alta qualità. Il grafene CVD deve essere trasferito dai substrati metallici su cui viene coltivato su substrati isolanti per applicazioni pratiche. Tuttavia, la separazione e il trasferimento del grafene su nuovi substrati sono difficili per uno strato uniforme senza danneggiare o influenzare le strutture e le proprietà del grafene. Inoltre, il transistor a effetto di campo in grafene elettrolitico -gated (EGGFET) è stato dimostrato per le sue ampie applicazioni in varie rilevazioni biomolecolari a causa della sua elevata sensibilità e configurazione standard del dispositivo. In questo articolo, vengono dimostrati l’approccio di trasferimento del grafene assistito da poli (metilmetacrilato) (PMMA), la fabbricazione del transistor a effetto di campo del grafene (GFET) e il rilevamento di immunoglobuline G (IgG) biomarcatori. La spettroscopia Raman e la microscopia a forza atomica sono state applicate per caratterizzare il grafene trasferito. Il metodo si è dimostrato essere un approccio pratico per trasferire grafene pulito e privo di residui preservando il reticolo di grafene sottostante su un substrato isolante per applicazioni elettroniche o di biorilevamento.
Introduction
Il grafene e i suoi derivati sono stati studiati e utilizzati per molte applicazioni, tra cui l’elettronica 1,2, il rilevamento 3,4,5, l’accumulo di energia 6,7 e la fotocatalisi 1,6,8. La sintesi e la fabbricazione di alta qualità, buona uniformità e bassi difetti il grafene sono fondamentali per dispositivi ad alte prestazioni e altamente sensibili. Dallo sviluppo della deposizione chimica da vapore (CVD) nel 2009, ha mostrato una promessa colossale e ha posto il suo posto come membro essenziale della famiglia del grafene 9,10,11,12,13. Viene coltivato su un substrato metallico e, successivamente per usi pratici, viene trasferito su substrati isolanti14. Diversi metodi di trasferimento sono stati utilizzati per trasferire il grafene CVD di recente. Il metodo poli (metilmetacrilato) (PMMA) assistito è il più utilizzato tra le diverse tecniche. Questo metodo è particolarmente adatto per l’uso industriale a causa della sua capacità su larga scala, del costo inferiore e dell’alta qualità del grafene trasferito14,15. L’aspetto critico di questo metodo è l’eliminazione del residuo di PMMA per le applicazioni del grafene CVD perché i residui possono causare la declinazione delle proprietà elettroniche del grafene 14,15,16, causare un effetto sulla sensibilità e sulle prestazioni dei biosensori 17,18 e creare variazioni significative da dispositivo a dispositivo19.
I biosensori basati su nanomateriali sono stati significativamente studiati negli ultimi decenni, tra cui nanofili di silicio (SiNW), nanotubi di carbonio (CNT) e grafene20. A causa della sua struttura a strato di singolo atomo e delle sue proprietà distintive, il grafene dimostra caratteristiche elettroniche superiori, una buona biocompatibilità e una facile funzionalizzazione, rendendolo un materiale attraente per lo sviluppo di biosensori 14,21,22,23. A causa delle caratteristiche dei transistor ad effetto di campo (FET) come alta sensibilità, configurazione standard e producibilità di massaeconomica 21,24, il FET è più preferito nelle implementazioni portatili e point-of-care rispetto ad altri dispositivi di biorilevamento basati sull’elettronica. I biosensori a transistor a effetto di campo del grafene elettrolitico-gated (EGGFET) sono esempi dei FETdichiarati 21,24. EGGFET è in grado di rilevare vari analiti bersaglio come gli acidi nucleici25, le proteine 24,26, i metaboliti27 e altri analiti biologicamente rilevanti28. La tecnica qui menzionata garantisce l’implementazione del grafene CVD in un dispositivo nanoelettronico di biorilevamento privo di etichette che offre una maggiore sensibilità e un rilevamento accurato del tempo rispetto ad altri dispositivi di biorilevamento29.
In questo lavoro, viene dimostrato un processo complessivo per lo sviluppo di un biosensore EGGFET e la sua funzionalizzazione per il rilevamento di biomarcatori, incluso il trasferimento di grafene CVD su un substrato isolante, raman e caratterizzazioni AFM del grafene trasferito. Inoltre, la fabbricazione di EGGFET e l’integrazione con un pozzo di consegna del campione di polidimetilsilossano (PDMS), la funzionalizzazione del biorecettore e il rilevamento di successo dell’immunoglobulina G umana (IgG) dal siero mediante esperimenti spike-and-recovery sono anche discussi qui.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il grafene CVD acquistato su film di rame deve essere tagliato alla giusta dimensione per le seguenti fasi di fabbricazione. Il taglio dei film può causare rughe, che devono essere prevenute. I parametri forniti nella fase di fabbricazione possono essere indicati per l’incisione al plasma del grafene e questi numeri potrebbero essere variati quando si utilizzano strumenti diversi. Il campione inciso deve essere attentamente monitorato e ispezionato per garantire un’incisione completa al grafene. È possibile applicare p…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli esperimenti sono stati condotti presso la West Virginia University. Riconosciamo le strutture di ricerca condivise presso la West Virginia University per la fabbricazione dei dispositivi e la caratterizzazione dei materiali. Questo lavoro è stato sostenuto dalla NATIONAL Science Foundation degli Stati Uniti sotto Grant No. NSF1916894.
Materials
| 1-pyreneutyric acid N- hydroxysuccinimide ester | Sigma Aldrich | 457078-1G | functionalization |
| Asylum MFP-3D Atomic Force Microscope | Oxford Instruments | graphene characterization | |
| AZ 300 MIF | MicroChemicals | AZ 300 MIF | photoresist developer |
| AZ 300 MIF | MicroChemicals | AZ 300 MIF | photoresist |
| Bovine Serum Albumin | Sigma Aldrich | 810014 | blocking |
| Branson 1210 Sonicator | SONITEK | sample cleaning | |
| Copper Etchant | Sigma Aldrich | 667528-500ML | removing copper film to release graphene |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | VWR | 97063-136 | functionalization |
| Disposable Biopsy Punches, Integra Miltex | VWR | 21909-144 | create well in PDMS |
| Gold etchant | Gold Etch, TFA, Transene | 658148 | enchant |
| Graphene | Graphene supermarket | 2" x 2" sheet | biosensing element of the device |
| IgG aptamer | Base Pair Biotechnologies | customized | bioreceptor |
| Keithley 4200A-SCS Parameter Analyzer | Tektronix | measurement and detection | |
| KMG CR-6 | KMG chemicals | 64216 | Chromium etchant |
| Kurt J. Lesker E-beam Evaporator | Kurt J. Lesker | metal deposition | |
| Laurell Technologies 400 Spinners | Laurell Technologies | WS-400BZ-6NPP/LITE | thin film coating |
| March PX-250 Plasma Asher | March Instruments | sample cleaning | |
| Nickel etchant | Nickel Etchant, TFB, Transene | 600016000 | etchant |
| OAI Flood Exposure | OAI | photolithography | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma Aldrich | 806552-500ML | buffer |
| PMMA 495K A4 | MicroChemicals | PMMA 495K A4 | Photoresist for assisting graphene transferring |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Sigma Aldrich | Sylgard 184 | sample delivery well |
| Renishaw InVia Raman Microscope | Renishaw | graphene characterization | |
| Sodium Hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | 221465-25G | functionalization |
| Suss Microtech MA6 Mask Aligner | Suss MicroTec | photolithography | |
| Thermo Scientific Cimarec Hotplate | Thermo Scientific | SP131635 | sample and device Baking |
Referenzen
- Saini, D. Synthesis and functionalization of graphene and application in electrochemical biosensing. Nanotechnology Reviews. 5 (4), 393-416 (2016).
- Emtsev, K. V., Bostwick, A., Horn, K., et al. Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide. Nature Materials. 8 (3), 203-207 (2009).
- Wang, Y., et al. Electrochemical delamination of CVD-grown graphene film: Toward the recyclable use of copper catalyst. ACS Nano. 5 (12), 9927-9933 (2011).
- Carvalho Fernandes, D. C., Lynch, D., Berry, V. 3D-printed graphene/polymer structures for electron-tunneling based devices. Scientific Reports. 10 (1), 1-8 (2020).
- Gao, L., et al. Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum. Nature Communications. 3, 699 (2012).
- Singh, J., Rathi, A., Rawat, M., Gupta, M. Graphene: From synthesis to engineering to biosensor applications. Frontiers of Materials Science. 12 (1), 1-20 (2018).
- Randviir, E. P., Brownson, D. A. C., Banks, C. E. A decade of graphene research: Production, applications and outlook. Materials Today. 17 (9), 426-432 (2014).
- Suvarnaphaet, P., Pechprasarn, S. Graphene-based materials for biosensors: A review. Sensors (Switzerland). 17 (10), 2161 (2017).
- Li, X., Cai, W., An, J., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
- Yu, Q., Lian, J., Siriponglert, S., Li, H., Chen, Y. P., Pei, S. S. Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators. Applied Physics Letters. 93 (11), 113103 (2008).
- Xu, S. C., et al. Direct synthesis of graphene on SiO2 substrates by chemical vapor deposition. CrystEngComm. 15 (10), 1840-1844 (2013).
- Zhang, C., et al. Facile synthesis of graphene on dielectric surfaces using a two-temperature reactor CVD system. Nanotechnology. 24 (39), 395603 (2013).
- Zhang, C., et al. Direct formation of graphene-carbon nanotubes hybrid on SiO2 substrate via chemical vapor deposition. Science of Advanced Materials. 6 (2), 399-404 (2014).
- Sun, J., Finklea, H. O., Liu, Y. Characterization and electrolytic cleaning of poly(methyl methacrylate) residues on transferred chemical vapor deposited graphene. Nanotechnology. 28 (12), 125703 (2017).
- Lin, Y. C., Lu, C. C., Yeh, C. H., Jin, C., Suenaga, K., Chiu, P. W. Graphene annealing: How clean can it be. Nano Letters. 12 (1), 414-419 (2012).
- Pirkle, A., et al. The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2. Applied Physics Letters. 99 (12), 122108 (2011).
- Chen, T. Y., et al. Label-free detection of DNA hybridization using transistors based on CVD grown graphene. Biosensors and Bioelectronics. 41 (1), 103-109 (2013).
- Xu, S., et al. Direct growth of graphene on quartz substrates for label-free detection of adenosine triphosphate. Nanotechnology. 25 (16), 165702 (2014).
- Dan, Y., Lu, Y., Kybert, N. J., Luo, Z., Johnson, A. T. C. Intrinsic response of graphene vapor sensors. Nano Letters. 9 (4), 1472-1475 (2009).
- Zhang, A., Lieber, C. M. -. Nano-Bioelectronics. Chemical Reviews. 116 (1), 215-257 (2015).
- Forsyth, R., Devadoss, A., Guy, O. J. Graphene Field effect transistors for biomedical applications: Current status and future prospects. Diagnostics (Basel). 7 (3), 45 (2017).
- Dankerl, M., et al. Graphene solution-gated field-effect transistor array for sensing applications. Advanced Functional Materials. 20 (18), 3117-3124 (2010).
- He, Q., Wu, S., Yin, Z., Zhang, H. Graphene -based electronic sensors. Chemical Science. 3 (6), 1764-1772 (2012).
- Sun, J., Liu, Y. Matrix effect study and immunoassay detection using electrolyte-gated graphene biosensor. Micromachines. 9 (4), 142 (2018).
- Mohanty, N., Berry, V. Graphene-based single-bacterium resolution biodevice and DNA transistor: Interfacing graphene derivatives with nanoscale and microscale biocomponents. Nano Letters. 8 (12), 4469-4476 (2008).
- Ohno, Y., Maehashi, K., Yamashiro, Y., Matsumoto, K. Electrolyte-gated graphene field-effect transistors for detecting pH and protein adsorption. Nano Letters. 9 (9), 3318-3322 (2009).
- Huang, Y., Dong, X., Shi, Y., Li, C. M., Li, L. J., Chen, P. Nanoelectronic biosensors based on CVD grown graphene. Nanoscale. 2 (8), 1485-1488 (2010).
- Jiang, S., et al. Real-time electrical detection of nitric oxide in biological systems with sub-nanomolar sensitivity. Nature Communications. 4 (1), 1-7 (2013).
- Bai, Y., Xu, T., Zhang, X. Graphene-based biosensors for detection of biomarkers. Micromachines. 11 (1), 60 (2020).
- Madou, M. J. . Fundamentals of Microfabrication The Science of Miniaturization. 2nd ed. , (2002).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Material Sciences. 28 (1), 153-184 (2003).
- Wang, Y. Y., et al. Raman studies of monolayer graphene: The substrate effect. Journal of Physical Chemistry C. 112 (29), 10637-10640 (2008).
- Betancur, V., Sun, J., Wu, N., Liu, Y. Integrated lateral flow device for flow control with blood separation and biosensing. Micromachines. 8 (12), 367 (2017).
- Butt, A. . Physics and Chemistry of Interfaces. 3rd ed. , (2003).
- Sitko, R., Zawisza, B., Malicka, E. Graphene as a new sorbent in analytical chemistry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 51, 33-43 (2013).
- Bai, L., et al. Graphene for energy storage and conversion: Synthesis and Interdisciplinary applications. Electrochemical Energy Reviews. 3 (2), 395-430 (2019).
- Boretti, A., Al-Zubaidy, S., Vaclavikova, M., Al-Abri, M., Castelletto, S., Mikhalovsky, S. Outlook for graphene-based desalination membranes. npj Clean Water. 1 (1), 1-11 (2018).
- Pumera, M. Graphene in biosensing. Materials Today. 14 (7-8), 308-315 (2011).
- Sun, J., Liu, Y. Unique constant phase element behavior of the electrolyte-graphene interface. Nanomaterials. 9 (7), 923 (2019).
- Sun, J., Camilli, L., Caridad, J. M., Santos, J. E., Liu, Y. Spontaneous adsorption of ions on graphene at the electrolyte-graphene interface. Applied Physics Letters. 117 (20), 203102 (2020).
