Utvikling og funksjonalisering av elektrolyttportet grafen felteffekttransistor for biomarkørdeteksjon
Summary
Den nåværende protokollen demonstrerer utviklingen av elektrolyttportet grafenfelteffekttransistor (EGGFET) biosensor og dens anvendelse i biomarkør immunoglobulin G (IgG) deteksjon.
Abstract
I den nåværende studien har grafen og dets derivater blitt undersøkt og brukt til mange bruksområder, inkludert elektronikk, sensing, energilagring og fotokaalyse. Syntese og fabrikasjon av høy kvalitet, god ensartethet og lave feil grafen er avgjørende for høy ytelse og svært følsomme enheter. Blant mange syntesemetoder kan kjemisk dampavsetning (CVD), betraktet som en ledende tilnærming til fremstilling av grafen, kontrollere antall grafenlag og gi grafen av høy kvalitet. CVD grafen må overføres fra metallsubstratene som det dyrkes på til isolerende substrater for praktiske applikasjoner. Separasjon og overføring av grafen til nye substrater er imidlertid utfordrende for et jevnt lag uten å skade eller påvirke grafens strukturer og egenskaper. I tillegg har elektrolyttportet grafenfelteffekttransistor (EGGFET) blitt demonstrert for sine brede bruksområder i ulike biomolekylære deteksjoner på grunn av sin høye følsomhet og standard enhetskonfigurasjon. I denne artikkelen demonstreres poly (metylmetakrylat) (PMMA)-assistert grafenoverføringstilnærming, fabrikasjon av grafenfelteffekttransistor (GFET) og biomarkørimmunoglobulin G (IgG) deteksjon. Raman spektroskopi og atomkraftmikroskopi ble brukt for å karakterisere den overførte grafen. Metoden er vist å være en praktisk tilnærming for overføring av rene og rester-fri grafen samtidig bevare underliggende grafen gitter på et isolerende substrat for elektronikk eller biosensing applikasjoner.
Introduction
Grafen og dets derivater har blitt undersøkt og brukt til mange bruksområder, inkludert elektronikk 1,2, sensing 3,4,5, energilagring 6,7, og fotokaalyse 1,6,8. Syntese og fabrikasjon av høy kvalitet, god ensartethet og lave feil grafen er avgjørende for høy ytelse og svært følsomme enheter. Siden utviklingen av Kjemisk dampavsetning (CVD) i 2009, har den vist kolossalt løfte og satt sin plass som et viktig medlem av grafenfamilien 9,10,11,12,13. Den vokser på et metallsubstrat og overføres senere til praktisk bruk til isolerende substrater14. Flere overføringsmetoder har nylig blitt brukt til å overføre CVD-grafen. Den assisterte metoden for poly (metylmetakrylat) (PMMA) er den mest brukte blant de forskjellige teknikkene. Denne metoden er spesielt godt egnet for industriell bruk på grunn av sin store kapasitet, lavere kostnader og høy kvalitet på den overførte grafen14,15. Det kritiske aspektet ved denne metoden er å kvitte seg med PMMA-rester for CVD-grafenapplikasjoner fordi rester kan forårsake deklinasjon av de elektroniske egenskapene til grafen 14,15,16, forårsake en effekt på biosensorenes følsomhet og ytelse 17,18, og skape betydelige enhets-til-enhet variasjoner19.
Nanomaterialer-baserte biosensorer har blitt betydelig undersøkt de siste tiårene, inkludert silisium nanotråd (SiNW), karbonnanorør (CNT) og grafen20. På grunn av sin enkelt-atom-lag struktur og særegne egenskaper, grafen demonstrerer overlegne elektroniske egenskaper, god biokompatibilitet, og facile funksjonalisering, noe som gjør det til et attraktivt materiale for å utvikle biosensorer 14,21,22,23. På grunn av felteffekttransistorer (FET) egenskaper som høy følsomhet, standardkonfigurasjon og kostnadseffektiv masseproduserbarhet21,24, er FET mer foretrukket i bærbare og pleie-implementeringer enn andre elektronikkbaserte biosensing-enheter. De elektrolyttportede grafenfelteffekttransistor (EGGFET) biosensorene er eksempler på de oppgitte FETene 21,24. EGGFET kan oppdage ulike målrettingsanalytter som nukleinsyrer25, proteiner 24,26, metabolitter27 og andre biologisk relevante analytter28. Teknikken nevnt her sikrer implementering av CVD grafen i en etikettfri biosensing nanoelektronikk enhet som gir høyere følsomhet og nøyaktig tidsdeteksjon over andre biosensing enheter29.
I dette arbeidet demonstreres en overordnet prosess for å utvikle en EGGFET biosensor og funksjonalisere den for biomarkørdeteksjon, inkludert overføring av CVD-grafen til et isolerende substrat, Raman og AFM-karakteriseringer av den overførte grafen. Videre diskuteres også fabrikasjon av EGGFET og integrasjon med en polydimetylsiloksan (PDMS) prøveleveringsbrønn, bioreseptorfunksjonalisering og vellykket deteksjon av human immunoglobulin G (IgG) fra serum ved spike-and-recovery-eksperimenter her.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den kjøpte CVD-grafen på kobberfilm må trimmes til riktig størrelse for følgende fabrikasjonstrinn. Kutting av filmene kan forårsake rynker, noe som må forhindres. Parametrene i fabrikasjonstrinnet kan refereres til for plasmaetsing av grafen, og disse tallene kan varieres ved bruk av forskjellige instrumenter. Den etsede prøven må overvåkes nøye og inspiseres for å sikre fullstendig grafenetsing. Flere forrensingsmetoder kan brukes til å rengjøre substratene, for eksempel sonikering i aceton, IPA og DI-van…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Eksperimentene ble utført ved West Virginia University. Vi anerkjenner shared research fasiliteter ved West Virginia University for enhet fabrikasjon og material karakterisering. Dette arbeidet ble støttet av US National Science Foundation under 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 |
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).
