バイオマーカー検出のための電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタの開発と機能化
Summary
本プロトコルは、電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)バイオセンサの開発と、バイオマーカー免疫グロブリンG(IgG)検出への応用を実証するものである。
Abstract
現在の研究では、グラフェンおよびその誘導体が調査され、エレクトロニクス、センシング、エネルギー貯蔵、および光触媒を含む多くの用途に使用されている。高品質、良好な均一性、および低欠陥グラフェンの合成および製造は、高性能および高感度デバイスにとって重要である。多くの合成方法の中で、グラフェンを製造するための主要なアプローチと考えられている化学気相成長法(CVD)は、グラフェン層の数を制御し、高品質のグラフェンを収めることができる。CVDグラフェンは、それが成長した金属基板から絶縁性基板上に転写され、実用的な用途のために必要とされる。しかし、新しい基板へのグラフェンの分離および転写は、グラフェンの構造および特性を損傷または影響することなく均一な層にとって困難である。さらに、電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)は、その高感度と標準的なデバイス構成のために、様々な生体分子検出におけるその幅広い用途のために実証されている。本稿では、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)支援グラフェン転写アプローチ、グラフェン電界効果トランジスタ(GFET)の作製、バイオマーカー免疫グロブリンG(IgG)検出について紹介する。転写されたグラフェンを特徴付けるために、ラマン分光法および原子間力顕微鏡法を適用した。この方法は、エレクトロニクスまたはバイオセンシングアプリケーション用の絶縁基板上に基礎となるグラフェン格子を維持しながら、クリーンで残留物のないグラフェンを転写するための実用的なアプローチであることが示されている。
Introduction
グラフェンおよびその誘導体は、エレクトロニクス1,2、センシング3,4,5、エネルギー貯蔵6,7、および光触媒1,6,8を含む多くの用途に調査され、使用されている。高品質、良好な均一性、および低欠陥グラフェンの合成および製造は、高性能および高感度デバイスにとって重要である。2009年の化学気相成長(CVD)の開発以来、それは巨大な約束を示し、グラフェンファミリー9、10、11、12、13の不可欠なメンバーとしてその場所を設定しました。これは、金属基板上に成長し、後に実用化のために、絶縁性基板14上に転写される。CVDグラフェンを転写するために、いくつかの転写方法が最近使用されている。ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)支援法は、異なる技術の中で最も使用されている。この方法は、その大規模な能力、低コスト、および転写グラフェン14、15の高品質のために、工業的使用に特に適している。この方法の重要な側面は、CVDグラフェンの用途のためにPMMA残基を取り除くことであり、残留物はグラフェン14,15,16の電子特性の偏角を引き起こし、バイオセンサの感度および性能に影響を与え、17,18、およびデバイス間の著しい変動を引き起こす可能性がある19。
ナノ材料ベースのバイオセンサは、シリコンナノワイヤ(SiNW)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン20など、過去数十年にわたって大幅に研究されてきました。グラフェンは、その単原子層構造と独特の特性により、優れた電子特性、良好な生体適合性、容易な機能化を示し、バイオセンサ14、21、22、23の開発に魅力的な材料となっている。高感度、標準構成、費用対効果の高い大量生産性などの電界効果トランジスタ(FET)特性21,24により、FETは他のエレクトロニクスベースのバイオセンシングデバイスよりもポータブルおよびポイントオブケア実装においてより好ましい。電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)バイオセンサは、述べられたFET21、24の例である。EGGFETは、核酸25、タンパク質24、26、代謝産物27、および他の生物学的に関連する分析物28などの様々な標的化分析物を検出することができる。ここで言及される技術は、他のバイオセンシングデバイス29よりも高感度かつ正確な時間検出を提供するラベルフリーのバイオセンシングナノエレクトロニクスデバイスにおけるCVDグラフェンの実装を保証する。
この研究では、CVDグラフェンを絶縁基板、ラマンに転写すること、および転写されたグラフェンのAFM特性評価を含む、EGGFETバイオセンサを開発し、バイオマーカー検出のためにそれを機能化するための全体的なプロセスを実証する。さらに、EGGFETの作製およびポリジメチルシロキサン(PDMS)サンプル送達ウェルとの統合、生体受容体機能化、およびスパイクおよび回収実験による血清からのヒト免疫グロブリンG(IgG)の検出の成功もここで議論される。
Protocol
Representative Results
Discussion
銅膜上の購入したCVDグラフェンは、次の製造ステップのために適切なサイズにトリミングする必要があります。フィルムの切断はしわを引き起こす可能性があり、これは防止する必要があります。製造工程で提供されるパラメータは、グラフェンのプラズマエッチングのために参照することができ、これらの数値は、異なる機器を使用する場合に変化させることができる。エッチングされた?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
実験はウェストバージニア大学で行われました。我々は、デバイス製造及び材料特性評価のためのウェストバージニア大学の共有研究施設を認識する。この研究は、米国国立科学財団の助成金Noの下で支援されました。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 |
References
- 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).
