Entwicklung und Funktionalisierung eines elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistors für den Biomarker-Nachweis
Summary
Das vorliegende Protokoll demonstriert die Entwicklung eines elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistors (EGGFET) Biosensors und seine Anwendung beim Nachweis von Biomarker-Immunglobulin G (IgG).
Abstract
In der aktuellen Studie wurden Graphen und seine Derivate für viele Anwendungen untersucht und verwendet, darunter Elektronik, Sensorik, Energiespeicherung und Photokatalyse. Die Synthese und Herstellung von Graphen von hoher Qualität, guter Gleichmäßigkeit und geringen Defekten ist für leistungsstarke und hochempfindliche Geräte von entscheidender Bedeutung. Unter vielen Synthesemethoden kann die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die als führender Ansatz zur Herstellung von Graphen gilt, die Anzahl der Graphenschichten kontrollieren und hochwertiges Graphen ergeben. CVD-Graphen muss von den Metallsubstraten, auf denen es gezüchtet wird, für praktische Anwendungen auf isolierende Substrate übertragen werden. Die Trennung und Übertragung von Graphen auf neue Substrate ist jedoch für eine gleichmäßige Schicht eine Herausforderung, ohne die Strukturen und Eigenschaften von Graphen zu beschädigen oder zu beeinträchtigen. Darüber hinaus wurde der elektrolytgesteuerte Graphen-Feldeffekttransistor (EGGFET) aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und Standardgerätekonfiguration für seine breiten Anwendungen in verschiedenen biomolekularen Detektionen demonstriert. In diesem Artikel werden der poly (methylmethacrylat) (PMMA)-unterstützte Graphentransferansatz, die Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET) und der Biomarker-Immunglobulin-G (IgG)-Nachweis demonstriert. Raman-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie wurden angewendet, um das übertragene Graphen zu charakterisieren. Es hat sich gezeigt, dass das Verfahren ein praktischer Ansatz ist, um sauberes und rückstandsfreies Graphen zu übertragen und gleichzeitig das darunter liegende Graphengitter auf einem isolierenden Substrat für Elektronik- oder Biosensoranwendungen zu erhalten.
Introduction
Graphen und seine Derivate wurden für viele Anwendungen untersucht und verwendet, einschließlich Elektronik 1,2, Sensorik 3,4,5, Energiespeicherung 6,7 und Photokatalyse 1,6,8. Die Synthese und Herstellung von Graphen von hoher Qualität, guter Gleichmäßigkeit und geringen Defekten ist für leistungsstarke und hochempfindliche Geräte von entscheidender Bedeutung. Seit der Entwicklung der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) im Jahr 2009 hat es sich als kolossales Versprechen erwiesen und seinen Platz als wesentliches Mitglied der Graphenfamilie 9,10,11,12,13 festgelegt. Es wird auf einem Metallsubstrat angebaut und später für praktische Anwendungen auf isolierende Substrateübertragen 14. In letzter Zeit wurden mehrere Übertragungsmethoden verwendet, um CVD-Graphen zu übertragen. Die Poly (Methylmethacrylat) (PMMA) unterstützte Methode ist die am häufigsten verwendete unter den verschiedenen Techniken. Dieses Verfahren eignet sich aufgrund seiner großflächigen Leistungsfähigkeit, der geringeren Kosten und der hohen Qualität des übertragenen Graphens14,15 besonders gut für den industriellen Einsatz. Der kritische Aspekt dieser Methode besteht darin, den PMMA-Rückstand für CVD-Graphenanwendungen loszuwerden, da die Rückstände eine Deskription der elektronischen Eigenschaften von Graphen 14,15,16 verursachen können, einen Einfluss auf die Empfindlichkeit und Leistung von Biosensorenhaben 17,18 und signifikante Geräte-zu-Gerät-Variationen verursachen können 19.
Nanomaterialbasierte Biosensoren wurden in den letzten Jahrzehnten erheblich untersucht, darunter Silizium-Nanodraht (SiNW), Kohlenstoffnanoröhre (CNT) und Graphen20. Aufgrund seiner Einzelatomschichtstruktur und seiner charakteristischen Eigenschaften weist Graphen überlegene elektronische Eigenschaften, gute Biokompatibilität und einfache Funktionalisierung auf, was es zu einem attraktiven Material für die Entwicklung von Biosensoren 14,21,22,23 macht. Aufgrund der Eigenschaften von Feldeffekttransistoren (FET) wie hoher Empfindlichkeit, Standardkonfiguration und kostengünstiger Massenproduzierbarkeit21,24 wird FET in tragbaren und Point-of-Care-Implementierungen bevorzugter als andere elektronikbasierte Biosensorgeräte. Die elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistoren (EGGFET) Biosensoren sind Beispiele für die angegebenen FETs21,24. EGGFET kann verschiedene Zielanalyten wie Nukleinsäuren 25, Proteine 24,26, Metaboliten 27 und andere biologisch relevante Analyten 28 nachweisen. Die hier erwähnte Technik gewährleistet die Implementierung von CVD-Graphen in einem markierungsfreien biosensorischen Nanoelektronikgerät, das eine höhere Empfindlichkeit und genaue Zeiterfassung als andere Biosensorgerätebietet 29.
In dieser Arbeit wird ein Gesamtprozess zur Entwicklung eines EGGFET-Biosensors und dessen Funktionalisierung für den Biomarkernachweis, einschließlich der Übertragung von CVD-Graphen auf ein isolierendes Substrat, Raman, und AFM-Charakterisierungen des übertragenen Graphens demonstriert. Darüber hinaus werden hier auch die Herstellung von EGGFET und die Integration mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Probenabgabe, die Biorezeptorfunktionalisierung und der erfolgreiche Nachweis von humanem Immunglobulin G (IgG) aus Serum durch Spike-and-Recovery-Experimente diskutiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das gekaufte CVD-Graphen auf Kupferfolie muss für die folgenden Herstellungsschritte auf die richtige Größe zugeschnitten werden. Das Schneiden der Folien kann zu Faltenbildung führen, was verhindert werden muss. Die im Herstellungsschritt bereitgestellten Parameter können für das Plasmaätzen von Graphen herangezogen werden, und diese Zahlen können bei Verwendung verschiedener Instrumente variiert werden. Die geätzte Probe muss genau überwacht und inspiziert werden, um eine vollständige Graphenätzung zu gewä…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Experimente wurden an der West Virginia University durchgeführt. Wir danken den Shared Research Facilities an der West Virginia University für die Herstellung von Geräten und die Materialcharakterisierung. Diese Arbeit wurde von der US National Science Foundation unter 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 |
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