Biyobelirteç Tespiti için Elektrolit Kapılı Grafen Alan Etkili Transistörün Geliştirilmesi ve İşlevselleştirilmesi
Summary
Mevcut protokol, elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET) biyosensörünün gelişimini ve biyobelirteç immünoglobulin G (IgG) tespitindeki uygulamasını göstermektedir.
Abstract
Mevcut çalışmada, grafen ve türevleri araştırıldı ve elektronik, algılama, enerji depolama ve fotokataliz dahil olmak üzere birçok uygulama için kullanıldı. Yüksek kalite, iyi homojenlik ve düşük kusurlu grafenin sentezi ve üretimi, yüksek performanslı ve son derece hassas cihazlar için kritik öneme sahiptir. Birçok sentez yöntemi arasında, grafen üretiminde önde gelen bir yaklaşım olarak kabul edilen kimyasal buhar biriktirme (CVD), grafen katmanlarının sayısını kontrol edebilir ve yüksek kaliteli grafen verebilir. CVD grafeninin, pratik uygulamalar için üzerinde yetiştirildiği metal substratlardan yalıtım substratlarına aktarılması gerekir. Bununla birlikte, grafenin yeni substratlara ayrılması ve aktarılması, grafenin yapılarına ve özelliklerine zarar vermeden veya etkilemeden düzgün bir tabaka için zordur. Ek olarak, elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET), yüksek hassasiyeti ve standart cihaz konfigürasyonu nedeniyle çeşitli biyomoleküler algılamalardaki geniş uygulamaları için gösterilmiştir. Bu makalede, poli (metil metakrilat) (PMMA) destekli grafen transfer yaklaşımı, grafen alan etkili transistör (GFET) imalatı ve biyobelirteç immünoglobulin G (IgG) tespiti gösterilmiştir. Aktarılan grafeni karakterize etmek için Raman spektroskopisi ve atomik kuvvet mikroskobu uygulandı. Yöntemin, elektronik veya biyosensing uygulamaları için altta yatan grafen kafesi yalıtkan bir substrat üzerine korurken temiz ve kalıntısız grafenin aktarılması için pratik bir yaklaşım olduğu gösterilmiştir.
Introduction
Grafen ve türevleri, elektronik 1,2, algılama 3,4,5, enerji depolama 6,7 ve fotokataliz 1,6,8 dahil olmak üzere birçok uygulama için araştırıldı ve kullanıldı. Yüksek kalite, iyi homojenlik ve düşük kusurlu grafenin sentezi ve üretimi, yüksek performanslı ve son derece hassas cihazlar için kritik öneme sahiptir. 2009 yılında Kimyasal buhar biriktirme (CVD) geliştirilmesinden bu yana, muazzam bir umut vaat etti vegrafen ailesinin 9,10,11,12,13 temel bir üyesi olarak yerini aldı. Metal bir substrat üzerinde yetiştirilir ve daha sonra pratik kullanımlar için yalıtım substratları14’e aktarılır. Son zamanlarda CVD grafenini transfer etmek için çeşitli transfer yöntemleri kullanılmıştır. Poli (metil metakrilat) (PMMA) destekli yöntem, farklı teknikler arasında en çok kullanılanıdır. Bu yöntem, büyük ölçekli kapasitesi, düşük maliyeti ve aktarılan grafenin yüksek kalitesi nedeniyle endüstriyel kullanım için özellikle uygundur14,15. Bu yöntemin kritik yönü, CVD grafeninin uygulamaları için PMMA kalıntısından kurtulmaktır, çünkü kalıntılar grafen14,15,16’nın elektronik özelliklerinin azalmasına neden olabilir, biyosensörlerin duyarlılığı ve performansı üzerinde bir etkiye neden olabilir 17,18 ve önemli cihazdan cihaza varyasyonlar yaratabilir 19.
Nanomalzeme bazlı biyosensörler, silikon nanotel (SiNW), karbon nanotüp (CNT) ve grafen20 dahil olmak üzere son yıllarda önemli ölçüde araştırılmıştır. Tek atom katmanlı yapısı ve ayırt edici özellikleri nedeniyle, grafen üstün elektronik özellikler, iyi biyouyumluluk ve kolay işlevsellik gösterir ve bu da onu biyosensörlerin geliştirilmesi için çekici bir malzeme haline getirir 14,21,22,23. Yüksek hassasiyet, standart konfigürasyon ve uygun maliyetli kütle üretilebilirliği21,24 gibi alan etkili transistörler (FET) özellikleri nedeniyle, FET taşınabilir ve bakım noktası uygulamalarında diğer elektronik tabanlı biyosensing cihazlarına göre daha fazla tercih edilmektedir. Elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET) biyosensörleri, belirtilen FET’lerin21,24’üne örnektir. EGGFET, nükleik asitler 25, proteinler 24,26, metabolitler 27 ve diğer biyolojik olarak ilgili analitler 28 gibi çeşitli hedefleme analitlerini tespit edebilir. Burada bahsedilen teknik, CVD grafeninin, diğer biyo-algılama cihazlarına göre daha yüksek hassasiyet ve doğru zaman tespiti sunan etiketsiz bir biyo-algılama nanoelektronik cihazında uygulanmasını sağlar29.
Bu çalışmada, CVD grafeninin bir yalıtım substratına, Raman’a ve aktarılan grafenin AFM karakterizasyonlarına aktarılması da dahil olmak üzere, bir EGGFET biyosensörü geliştirmek ve biyobelirteç tespiti için işlevselleştirmek için genel bir süreç gösterilmiştir. Ayrıca, EGGFET’in imalatı ve polidimetilsiloksan (PDMS) numune dağıtımı ile entegrasyon, biyoreseptör fonksiyonelleştirmesi ve insan immünoglobulin G’nin (IgG) serumdan spike ve geri kazanım deneyleri ile başarılı bir şekilde saptanması da burada tartışılmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bakır film üzerinde satın alınan CVD grafeninin, aşağıdaki imalat adımları için doğru boyuta kesilmesi gerekir. Filmlerin kesilmesi, önlenmesi gereken kırışıklıklara neden olabilir. İmalat adımında sağlanan parametreler, grafenin plazma aşındırılması için kullanılabilir ve bu sayılar farklı aletler kullanıldığında değiştirilebilir. Kazınmış numune, tam grafen aşındırma sağlamak için yakından izlenmeli ve denetlenmelidir. 5 dakika boyunca aseton, IPA ve DI suyunda sonikasyon, D…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deneyler West Virginia Üniversitesi’nde yapıldı. West Virginia Üniversitesi’ndeki Paylaşılan Araştırma Tesisleri’ne cihaz üretimi ve malzeme karakterizasyonu için teşekkür ederiz. Bu çalışma ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından Hibe No altında desteklenmiştir. 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).
