Desarrollo y funcionalización del transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos para la detección de biomarcadores
Summary
El presente protocolo demuestra el desarrollo del biosensor de transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos (EGGFET) y su aplicación en la detección de biomarcadores de inmunoglobulina G (IgG).
Abstract
En el estudio actual, el grafeno y sus derivados se han investigado y utilizado para muchas aplicaciones, incluida la electrónica, la detección, el almacenamiento de energía y la fotocatálisis. La síntesis y fabricación de grafeno de alta calidad, buena uniformidad y bajos defectos son fundamentales para dispositivos de alto rendimiento y alta sensibilidad. Entre muchos métodos de síntesis, la deposición química de vapor (CVD), considerada un enfoque líder para la fabricación de grafeno, puede controlar el número de capas de grafeno y producir grafeno de alta calidad. El grafeno CVD debe transferirse de los sustratos metálicos en los que se cultiva a sustratos aislantes para aplicaciones prácticas. Sin embargo, la separación y transferencia de grafeno a nuevos sustratos es un desafío para una capa uniforme sin dañar o afectar las estructuras y propiedades del grafeno. Además, el transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos (EGGFET) se ha demostrado por sus amplias aplicaciones en diversas detecciones biomoleculares debido a su alta sensibilidad y configuración estándar del dispositivo. En este artículo, se demuestra el enfoque de transferencia de grafeno asistido por poli (metacrilato de metilo) (PMMA), la fabricación de transistor de efecto de campo de grafeno (GFET) y la detección de biomarcadores de inmunoglobulina G (IgG). Se aplicaron espectroscopía Raman y microscopía de fuerza atómica para caracterizar el grafeno transferido. Se ha demostrado que el método es un enfoque práctico para transferir grafeno limpio y libre de residuos, preservando al mismo tiempo la red de grafeno subyacente en un sustrato aislante para aplicaciones electrónicas o de biodetección.
Introduction
El grafeno y sus derivados se han investigado y utilizado para muchas aplicaciones, incluida la electrónica 1,2, la detección 3,4,5, el almacenamiento de energía 6,7 y la fotocatálisis 1,6,8. La síntesis y fabricación de grafeno de alta calidad, buena uniformidad y bajos defectos son fundamentales para dispositivos de alto rendimiento y alta sensibilidad. Desde el desarrollo de la deposición química de vapor (ECV) en 2009, ha demostrado una promesa colosal y se ha establecido como un miembro esencial de la familia del grafeno 9,10,11,12,13. Se cultiva sobre un sustrato metálico y, posteriormente para usos prácticos, se transfiere a sustratos aislantes14. Recientemente se han utilizado varios métodos de transferencia para transferir grafeno CVD. El método asistido por poli (metacrilato de metilo) (PMMA) es el más utilizado entre las diferentes técnicas. Este método es particularmente adecuado para uso industrial debido a su capacidad a gran escala, menor costo y alta calidad del grafeno transferido14,15. El aspecto crítico de este método es deshacerse del residuo de PMMA para las aplicaciones del grafeno CVD porque los residuos pueden causar la declinación de las propiedades electrónicas del grafeno 14,15,16, causar un efecto en la sensibilidad y el rendimiento de los biosensores 17,18 y crear variaciones significativas de dispositivo a dispositivo19.
Los biosensores basados en nanomateriales se han investigado significativamente en las últimas décadas, incluidos los nanocables de silicio (SiNW), los nanotubos de carbono (CNT) y el grafeno20. Debido a su estructura de capa de un solo átomo y propiedades distintivas, el grafeno demuestra características electrónicas superiores, buena biocompatibilidad y funcionalización fácil, lo que lo convierte en un material atractivo para el desarrollo de biosensores 14,21,22,23. Debido a las características de los transistores de efecto de campo (FET), como la alta sensibilidad, la configuración estándar y la producibilidad en masa rentable21,24, FET es más preferido en implementaciones portátiles y de punto de atención que otros dispositivos de biodetección basados en electrónica. Los biosensores de efecto de campo de grafeno activados por electrolitos (EGGFET) son ejemplos de losFETs 21,24 declarados. EGGFET puede detectar varios analitos dirigidos como ácidos nucleicos25, proteínas 24,26, metabolitos27 y otros analitos biológicamente relevantes28. La técnica mencionada aquí garantiza la implementación de grafeno CVD en un dispositivo de nanoelectrónica de biodetección sin etiquetas que ofrece una mayor sensibilidad y una detección precisa del tiempo sobre otros dispositivos de biodetección29.
En este trabajo, se demuestra un proceso general para desarrollar un biosensor EGGFET y funcionalizarlo para la detección de biomarcadores, incluida la transferencia de grafeno CVD a un sustrato aislante, Caracterizaciones Raman y AFM del grafeno transferido. Además, la fabricación de EGGFET y la integración con un pozo de entrega de muestra de polidimetilsiloxano (PDMS), la funcionalización de biorreceptores y la detección exitosa de inmunoglobulina G humana (IgG) a partir del suero mediante experimentos de espiga y recuperación también se discuten aquí.
Protocol
Representative Results
Discussion
El grafeno CVD comprado en la película de cobre debe recortarse al tamaño correcto para los siguientes pasos de fabricación. El corte de las películas puede causar arrugas, lo que debe prevenirse. Los parámetros proporcionados en la etapa de fabricación se pueden consultar para el grabado en plasma de grafeno, y estos números pueden variar cuando se utilizan diferentes instrumentos. La muestra grabada debe ser monitoreada e inspeccionada de cerca para garantizar un grabado completo de grafeno. Se pueden aplicar m?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los experimentos se llevaron a cabo en la Universidad de Virginia Occidental. Reconocemos las Instalaciones de Investigación Compartidas de la Universidad de Virginia Occidental para la fabricación de dispositivos y la caracterización de materiales. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos bajo la Subvención 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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