تطوير وتشغيل ترانزستور التأثير الميداني للجرافين ذو بوابات الكهارل للكشف عن المؤشرات الحيوية
Summary
ويبين هذا البروتوكول تطور الاستشعار الحيوي للترانزستور ذي التأثير الميداني للجرافين (EGGFET) ذو بوابات الإلكتروليت وتطبيقه في الكشف عن الغلوبولين المناعي G (IgG) بالمؤشرات الحيوية.
Abstract
في الدراسة الحالية ، تم التحقيق في الجرافين ومشتقاته واستخدامه للعديد من التطبيقات ، بما في ذلك الإلكترونيات والاستشعار وتخزين الطاقة والتحفيز الضوئي. يعد توليف وتصنيع الجرافين عالي الجودة والتوحيد الجيد والعيوب المنخفضة أمرا بالغ الأهمية للأجهزة عالية الأداء والحساسة للغاية. من بين العديد من طرق التوليف ، يمكن لترسيب البخار الكيميائي (CVD) ، الذي يعتبر نهجا رائدا لتصنيع الجرافين ، التحكم في عدد طبقات الجرافين وإنتاج الجرافين عالي الجودة. يجب نقل الجرافين CVD من الركائز المعدنية التي يزرع عليها على ركائز عازلة للتطبيقات العملية. ومع ذلك ، فإن فصل ونقل الجرافين إلى ركائز جديدة يمثل تحديا لطبقة موحدة دون الإضرار أو التأثير على هياكل الجرافين وخصائصه. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثبات ترانزستور التأثير الميداني للجرافين (EGGFET) ذو بوابات الكهارل لتطبيقاته الواسعة في مختلف عمليات الكشف الجزيئية الحيوية بسبب حساسيته العالية وتكوين الجهاز القياسي. في هذه المقالة ، يتم توضيح نهج نقل الجرافين بمساعدة بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) ، وتصنيع ترانزستور التأثير الميداني للجرافين (GFET) ، والكشف عن الغلوبولين المناعي G (IgG) للمؤشرات الحيوية. تم تطبيق التحليل الطيفي لرامان ومجهر القوة الذرية لتوصيف الجرافين المنقول. وتبين أن هذه الطريقة هي نهج عملي لنقل الجرافين النظيف والخالي من المخلفات مع الحفاظ على شبكة الجرافين الأساسية إلى ركيزة عازلة للإلكترونيات أو تطبيقات الاستشعار البيولوجي.
Introduction
تم التحقيق في الجرافين ومشتقاته واستخدامه للعديد من التطبيقات ، بما في ذلك الإلكترونيات 1،2 ، والاستشعار3،4،5 ، وتخزين الطاقة 6،7 ، والتحفيز الضوئي1،6،8. يعد توليف وتصنيع الجرافين عالي الجودة والتوحيد الجيد والعيوب المنخفضة أمرا بالغ الأهمية للأجهزة عالية الأداء والحساسة للغاية. منذ تطوير ترسب البخار الكيميائي (CVD) في عام 2009 ، أظهرت وعدا هائلا وحددت مكانتها كعضو أساسي في عائلة الجرافين9،10،11،12،13. يزرع على ركيزة معدنية ، وفي وقت لاحق للاستخدامات العملية ، يتم نقله إلى ركائز عازلة14. تم استخدام العديد من طرق النقل لنقل الجرافين CVD مؤخرا. طريقة البولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) المساعدة هي الأكثر استخداما بين التقنيات المختلفة. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للاستخدام الصناعي بسبب قدرتها على نطاق واسع ، وانخفاض التكلفة ، والجودة العالية للجرافين المنقول14,15. الجانب الحاسم لهذه الطريقة هو التخلص من بقايا PMMA لتطبيقات الجرافين CVD لأن المخلفات يمكن أن تسبب انحراف الخصائص الإلكترونية للجرافين 14،15،16 ، وتسبب تأثيرا على حساسية أجهزة الاستشعار الحيوية وأدائها 17،18 ، وتخلق اختلافات كبيرة من جهاز إلى جهاز19.
تم التحقيق بشكل كبير في أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على المواد النانوية على مدى العقود الماضية ، بما في ذلك أسلاك السيليكون النانوية (SiNW) ، وأنبوب الكربون النانوي (CNT) ، والجرافين20. بسبب هيكله أحادي الطبقة الذرية وخصائصه المميزة ، يوضح الجرافين خصائص إلكترونية متفوقة ، وتوافقا حيويا جيدا ، وأداء وظيفيا سهلا ، مما يجعله مادة جذابة لتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية14،21،22،23. نظرا لخصائص الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET) مثل الحساسية العالية والتكوين القياسي وقابلية الإنتاج الجماعي الفعالة من حيث التكلفة21,24 ، فإن FET أكثر تفضيلا في التطبيقات المحمولة ونقاط الرعاية من أجهزة الاستشعار البيولوجي الأخرى القائمة على الإلكترونيات. تعد المستشعرات الحيوية للترانزستور ذو التأثير الميداني للجرافين (EGGFET) ذات بوابات الإلكتروليت أمثلة على FETs21,24 المذكورة. يمكن ل EGGFET الكشف عن تحليلات الاستهداف المختلفة مثل الأحماض النووية25 والبروتينات 24,26 والمستقلبات27 وغيرها من التحليلات ذات الصلة بيولوجيا28. تضمن التقنية المذكورة هنا تنفيذ الجرافين CVD في جهاز الإلكترونيات النانوية للاستشعار الحيوي الخالي من الملصقات والذي يوفر حساسية أعلى وكشفا دقيقا للوقت مقارنة بأجهزة الاستشعار الحيوي الأخرى29.
في هذا العمل ، يتم عرض عملية شاملة لتطوير جهاز استشعار حيوي EGGFET وتشغيله للكشف عن المؤشرات الحيوية ، بما في ذلك نقل الجرافين CVD إلى ركيزة عازلة ، Raman ، وتوصيف AFM للجرافين المنقول. علاوة على ذلك ، تتم مناقشة تصنيع EGGFET والتكامل مع توصيل عينة polydimethylsiloxane (PDMS) بشكل جيد ، وتشغيل المستقبلات الحيوية ، والكشف الناجح عن الغلوبولين المناعي البشري G (IgG) من المصل عن طريق تجارب الارتفاع والاسترداد هنا.
Protocol
Representative Results
Discussion
يجب قص جرافين CVD الذي تم شراؤه على فيلم نحاسي إلى الحجم المناسب لخطوات التصنيع التالية. قطع الأفلام يمكن أن يسبب التجاعيد ، والتي تحتاج إلى منع. يمكن الإشارة إلى المعلمات المقدمة في خطوة التصنيع لحفر البلازما للجرافين ، ويمكن تغيير هذه الأرقام عند استخدام أدوات مختلفة. يجب مراقبة العينة ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أجريت التجارب في جامعة فرجينيا الغربية. نحن نقر بمرافق الأبحاث المشتركة في جامعة ويست فرجينيا لتصنيع الأجهزة وتوصيف المواد. تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية بموجب المنحة رقم 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).
