Ontwikkeling en functionalisering van elektrolyt-gated grafeen veldeffecttransistor voor biomarkerdetectie
Summary
Het huidige protocol demonstreert de ontwikkeling van elektrolyt-gated grafeen veldeffect transistor (EGGFET) biosensor en de toepassing ervan in biomarker immunoglobuline G (IgG) detectie.
Abstract
In de huidige studie zijn grafeen en zijn derivaten onderzocht en gebruikt voor vele toepassingen, waaronder elektronica, detectie, energieopslag en fotokatalyse. Synthese en fabricage van hoge kwaliteit, goede uniformiteit en lage defecten grafeen zijn van cruciaal belang voor hoogwaardige en zeer gevoelige apparaten. Onder de vele synthesemethoden kan chemische dampafzetting (CVD), beschouwd als een toonaangevende benadering voor de productie van grafeen, het aantal grafeenlagen beheersen en grafeen van hoge kwaliteit opleveren. CVD-grafeen moet worden overgebracht van de metalen substraten waarop het wordt gekweekt naar isolerende substraten voor praktische toepassingen. Scheiding en overdracht van grafeen op nieuwe substraten zijn echter een uitdaging voor een uniforme laag zonder de structuren en eigenschappen van grafeen te beschadigen of aan te tasten. Bovendien is elektrolyt-gated grafeenveldeffecttransistor (EGGFET) gedemonstreerd voor zijn brede toepassingen in verschillende biomoleculaire detecties vanwege de hoge gevoeligheid en standaard apparaatconfiguratie. In dit artikel worden poly (methylmethacrylaat) (PMMA)-geassisteerde grafeenoverdrachtsbenadering, fabricage van grafeenveldeffecttransistor (GFET) en biomarker immunoglobuline G (IgG) detectie aangetoond. Raman-spectroscopie en atoomkrachtmicroscopie werden toegepast om het overgedragen grafeen te karakteriseren. De methode blijkt een praktische aanpak te zijn voor het overbrengen van schoon en residuvrij grafeen met behoud van het onderliggende grafeenrooster op een isolerend substraat voor elektronica- of biosensingtoepassingen.
Introduction
Grafeen en zijn derivaten zijn onderzocht en gebruikt voor vele toepassingen, waaronder elektronica 1,2, detectie 3,4,5, energieopslag 6,7 en fotokatalyse 1,6,8. Synthese en fabricage van hoge kwaliteit, goede uniformiteit en lage defecten grafeen zijn van cruciaal belang voor hoogwaardige en zeer gevoelige apparaten. Sinds de ontwikkeling van chemische dampafzetting (CVD) in 2009 heeft het een kolossale belofte getoond en zijn plaats veroverd als een essentieel lid van de grafeenfamilie 9,10,11,12,13. Het wordt gekweekt op een metalen substraat en wordt later voor praktisch gebruik overgebracht op isolerende substraten14. Verschillende overdrachtsmethoden zijn onlangs gebruikt om CVD-grafeen over te dragen. De poly (methylmethacrylaat) (PMMA) geassisteerde methode is de meest gebruikte van de verschillende technieken. Deze methode is bijzonder geschikt voor industrieel gebruik vanwege de grootschalige capaciteit, lagere kosten en hoge kwaliteit van het overgedragen grafeen14,15. Het kritieke aspect van deze methode is het wegwerken van het PMMA-residu voor de toepassingen van CVD-grafeen, omdat de residuen declinatie van de elektronische eigenschappen van grafeen14,15,16 kunnen veroorzaken, een effect kunnen hebben op de gevoeligheid en prestaties van biosensoren17,18 en significante variaties van apparaat tot apparaat kunnen creëren19.
Op nanomaterialen gebaseerde biosensoren zijn de afgelopen decennia aanzienlijk onderzocht, waaronder silicium nanodraad (SiNW), koolstofnanobuis (CNT) en grafeen20. Vanwege de structuur met één atoomlaag en onderscheidende eigenschappen vertoont grafeen superieure elektronische kenmerken, goede biocompatibiliteit en gemakkelijke functionalisering, waardoor het een aantrekkelijk materiaal is voor het ontwikkelen van biosensoren 14,21,22,23. Vanwege veldeffecttransistors (FET) kenmerken zoals hoge gevoeligheid, standaardconfiguratie en kosteneffectieve massaproducibiliteit21,24, heeft FET meer de voorkeur in draagbare en point-of-care implementaties dan andere op elektronica gebaseerde biosensing-apparaten. De electrolyt-gated graphene field-effect transistor (EGGFET) biosensoren zijn voorbeelden van de vermelde FET’s21,24. EGGFET kan verschillende gerichte analyten detecteren, zoals nucleïnezuren25, eiwitten24,26, metabolieten27 en andere biologisch relevante analyten28. De hier genoemde techniek zorgt voor de implementatie van CVD-grafeen in een labelvrij biosensing nano-elektronica-apparaat dat een hogere gevoeligheid en nauwkeurige tijddetectie biedt dan andere biosensing-apparaten29.
In dit werk wordt een algemeen proces gedemonstreerd voor het ontwikkelen van een EGGFET-biosensor en het functionaliseren ervan voor biomarkerdetectie, inclusief het overbrengen van CVD-grafeen op een isolerend substraat, Raman en AFM-karakteriseringen van het overgedragen grafeen. Verder worden hier ook de fabricage van EGGFET en integratie met een polydimethylsiloxaan (PDMS) monsterafgifteput, bioreceptorfunctionalisatie en succesvolle detectie van humaan immunoglobuline G (IgG) uit serum door spike-and-recovery-experimenten besproken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gekochte CVD-grafeen op koperfolie moet op de juiste maat worden bijgesneden voor de volgende fabricagestappen. Het snijden van de films kan rimpels veroorzaken, wat moet worden voorkomen. De parameters die in de fabricagestap worden verstrekt, kunnen worden gebruikt voor plasma-etsen van grafeen en deze getallen kunnen worden gevarieerd bij gebruik van verschillende instrumenten. Het geëtste monster moet nauwlettend worden gecontroleerd en geïnspecteerd om een volledige grafeenets te garanderen. Meerdere voorreini…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De experimenten werden uitgevoerd aan de West Virginia University. We erkennen de gedeelde onderzoeksfaciliteiten aan de West Virginia University voor de fabricage van apparaten en materiaalkarakterisering. Dit werk werd ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation onder 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 |
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).
