פיתוח ופונקציונליזציה של טרנזיסטור שדה-אפקט גרפן מגודר אלקטרוליטים לזיהוי סמנים ביולוגיים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מדגים את הפיתוח של ביוסנסור טרנזיסטור אפקט שדה גרפן מגודר אלקטרוליטים (EGGFET) ויישומו בזיהוי אימונוגלובולין G (IgG) של סמנים ביולוגיים.
Abstract
במחקר הנוכחי, גרפן ונגזרותיו נחקרו ונעשה בהם שימוש עבור יישומים רבים, כולל אלקטרוניקה, חישה, אגירת אנרגיה ופוטוקטליזה. סינתזה וייצור של גרפן באיכות גבוהה, אחידות טובה ופגמים נמוכים הם קריטיים עבור התקנים בעלי ביצועים גבוהים ורגישים מאוד. בין שיטות סינתזה רבות, תצהיר אדים כימיים (CVD), הנחשב לגישה מובילה לייצור גרפן, יכול לשלוט במספר שכבות הגרפן ולהניב גרפן באיכות גבוהה. יש להעביר גרפן CVD ממצעי המתכת שעליהם הוא גדל על מצעי בידוד ליישומים מעשיים. עם זאת, הפרדה והעברה של גרפן על מצעים חדשים מאתגרות עבור שכבה אחידה מבלי לפגוע או להשפיע על המבנים והתכונות של הגרפן. בנוסף, טרנזיסטור אפקט שדה גרפן מגודר אלקטרוליטים (EGGFET) הודגם בזכות היישומים הרחבים שלו בגילויים ביומולקולריים שונים בגלל הרגישות הגבוהה שלו ותצורת המכשיר הסטנדרטית שלו. במאמר זה, מודגמים גישת העברת גרפן בסיוע פולי (מתיל מתקרילט) (PMMA), ייצור של טרנזיסטור אפקט שדה גרפן (GFET) וזיהוי אימונוגלובולין G (IgG) של סמנים ביולוגיים. ספקטרוסקופיית ראמאן ומיקרוסקופיית כוח אטומי יושמו כדי לאפיין את הגרפן המועבר. השיטה מוצגת כגישה מעשית להעברת גרפן נקי ונטול שאריות תוך שמירה על סריג הגרפן הבסיסי על מצע בידוד ליישומי אלקטרוניקה או ביוסנסינג.
Introduction
גרפן ונגזרותיו נחקרו ושימשו ליישומים רבים, כולל אלקטרוניקה 1,2, חישה 3,4,5, אגירת אנרגיה 6,7 ופוטוקטליזה 1,6,8. סינתזה וייצור של גרפן באיכות גבוהה, אחידות טובה ופגמים נמוכים הם קריטיים עבור התקנים בעלי ביצועים גבוהים ורגישים מאוד. מאז פיתוח תצהיר האדים הכימיים (CVD) בשנת 2009, הוא הראה הבטחה אדירה וקבע את מקומו כחבר חיוני במשפחת הגרפן 9,10,11,12,13. הוא גדל על מצע מתכת, ומאוחר יותר לשימושים מעשיים, מועבר על מצעי בידוד14. מספר שיטות העברה שימשו להעברת גרפן CVD לאחרונה. שיטת הפולי (מתיל מתקרילט) (PMMA) היא הנפוצה ביותר מבין הטכניקות השונות. שיטה זו מתאימה במיוחד לשימוש תעשייתי בשל יכולתה בקנה מידה גדול, עלות נמוכה יותר ואיכות גבוהה של הגרפן המועבר14,15. ההיבט הקריטי של שיטה זו הוא להיפטר משאריות ה-PMMA עבור יישומי הגרפן של CVD מכיוון שהשאריות עלולות לגרום לירידה בתכונות האלקטרוניות של גרפן 14,15,16, לגרום להשפעה על הרגישות והביצועים של הביו-סנסורים17,18, וליצור וריאציות משמעותיות של התקן להתקן19.
ביוסנסורים מבוססי ננו-חומרים נחקרו באופן משמעותי בעשורים האחרונים, כולל ננו-חוטי סיליקון (SiNW), ננו-צינורית פחמן (CNT) וגרפן20. בגלל המבנה החד-שכבתי שלו ותכונותיו הייחודיות, גרפן מדגים מאפיינים אלקטרוניים מעולים, תאימות ביולוגית טובה ופונקציונליזציה של facile, מה שהופך אותו לחומר אטרקטיבי לפיתוח ביוסנסורים 14,21,22,23. בשל מאפייני טרנזיסטורים בעלי אפקט שדה (FET) כגון רגישות גבוהה, תצורה סטנדרטית והוכחת מסה חסכונית21,24, FET מועדף יותר במימושים ניידים ונקודתיים מאשר בהתקני ביוסנסינג אחרים מבוססי אלקטרוניקה. הביו-סנסורים של אפקט שדה גרפן מגודר אלקטרוליטים (EGGFET) הם דוגמאות ל-FETs המוצהרים21,24. EGGFET יכול לזהות אנליטים ממוקדים שונים כגון חומצות גרעין25, חלבונים 24,26, מטבוליטים27, ואנליטים רלוונטיים ביולוגית אחרים28. הטכניקה המוזכרת כאן מבטיחה יישום של גרפן CVD בהתקן ננו-אלקטרוניקה ביוסנסינג ללא תווית המציע רגישות גבוהה יותר וזיהוי זמן מדויק יותר על פני התקני ביוסנסינג אחרים29.
בעבודה זו מודגם תהליך כולל לפיתוח ביוסנסור EGGFET ותפקודו לצורך זיהוי סמנים ביולוגיים, כולל העברת גרפן CVD על מצע בידוד, ראמאן ואפיוני AFM של הגרפן המועבר. יתר על כן, ייצור של EGGFET ושילוב עם אספקת דגימת פולידימתילסילוקסן (PDMS) היטב, פונקציונליזציה של ביו-רקפטורים וזיהוי מוצלח של אימונוגלובולין G (IgG) אנושי מסרום על ידי ניסויי ספייק והתאוששות נדונים גם כאן.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש לקצץ את הגרפן CVD שנרכש על סרט נחושת לגודל הנכון עבור שלבי הייצור הבאים. חיתוך של הסרטים יכול לגרום להתכווצות, אשר צריך למנוע. הפרמטרים המסופקים בשלב הייצור יכולים להיקרא לחריטת פלזמה של גרפן, ומספרים אלה יכולים להיות מגוונים בעת שימוש במכשירים שונים. יש לעקוב מקרוב אחר הדגימה החרוטה ולב?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הניסויים נערכו באוניברסיטת מערב וירג’יניה. אנו מכירים במתקני המחקר המשותפים באוניברסיטת ווסט וירג’יניה על ייצור מכשירים ואפיון חומרים. עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע של ארה”ב תחת מענק מס ‘. 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 |
Referências
- 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).
