Udvikling og funktionalisering af elektrolyt-gated grafenfelteffekttransistor til biomarkørdetektion
Summary
Den foreliggende protokol demonstrerer udviklingen af elektrolyt-gated graphene field-effect transistor (EGGFET) biosensor og dens anvendelse i biomarkør immunoglobulin G (IgG) detektion.
Abstract
I den aktuelle undersøgelse er grafen og dets derivater blevet undersøgt og brugt til mange applikationer, herunder elektronik, sensing, energilagring og fotokatalyse. Syntese og fremstilling af grafen af høj kvalitet, god ensartethed og lave defekter er afgørende for højtydende og meget følsomme enheder. Blandt mange syntesemetoder kan kemisk dampaflejring (CVD), der betragtes som en førende tilgang til fremstilling af grafen, kontrollere antallet af grafenlag og give grafen af høj kvalitet. CVD-grafen skal overføres fra metalsubstraterne, hvorpå den dyrkes, på isolerende underlag til praktiske anvendelser. Imidlertid er adskillelse og overførsel af grafen til nye substrater udfordrende for et ensartet lag uden at beskadige eller påvirke grafens strukturer og egenskaber. Derudover er elektrolyt-gated grafenfelteffekttransistor (EGGFET) blevet demonstreret for sine brede anvendelser i forskellige biomolekylære detektioner på grund af dens høje følsomhed og standard enhedskonfiguration. I denne artikel påvises poly (methylmethacrylat) (PMMA)-assisteret grafenoverførselsmetode, fremstilling af grafenfelteffekttransistor (GFET) og biomarkørimmunglobulin G (IgG) detektion. Raman spektroskopi og atomkraftmikroskopi blev anvendt til at karakterisere den overførte grafen. Metoden har vist sig at være en praktisk tilgang til overførsel af ren og restfri grafen, samtidig med at det underliggende grafengitter bevares på et isolerende substrat til elektronik eller biosensing applikationer.
Introduction
Grafen og dets derivater er blevet undersøgt og anvendt til mange anvendelser, herunder elektronik 1,2, sensing 3,4,5, energilagring 6,7 og fotokatalyse 1,6,8. Syntese og fremstilling af grafen af høj kvalitet, god ensartethed og lave defekter er afgørende for højtydende og meget følsomme enheder. Siden udviklingen af kemisk dampaflejring (CVD) i 2009 har den vist kolossalt løfte og sat sin plads som et væsentligt medlem af grafenfamilien 9,10,11,12,13. Den dyrkes på et metalsubstrat og overføres senere til praktiske anvendelser til isolerende underlag14. Flere overførselsmetoder er blevet brugt til at overføre CVD-grafen for nylig. Den poly (methylmethacrylat) (PMMA) assisterede metode er den mest anvendte blandt de forskellige teknikker. Denne metode er særligt velegnet til industriel brug på grund af dens store kapacitet, lavere omkostninger og høje kvalitet af den overførte grafen14,15. Det kritiske aspekt af denne metode er at slippe af med PMMA-resten til CVD-grafens anvendelser, fordi resterne kan forårsage deklination af grafens elektroniske egenskaber 14,15,16, forårsage en effekt på biosensorernes følsomhed og ydeevne 17,18 og skabe betydelige enheds-til-enhed-variationer19.
Nanomaterialebaserede biosensorer er blevet undersøgt betydeligt i løbet af de seneste årtier, herunder siliciumnanotråd (SiNW), kulstofnanorør (CNT) og grafen20. På grund af sin enkeltatomlagsstruktur og karakteristiske egenskaber demonstrerer grafen overlegne elektroniske egenskaber, god biokompatibilitet og let funktionalisering, hvilket gør det til et attraktivt materiale til udvikling af biosensorer 14,21,22,23. På grund af felteffekttransistorer (FET) egenskaber såsom høj følsomhed, standardkonfiguration og omkostningseffektiv masseproducerbarhed21,24 foretrækkes FET mere i bærbare og point-of-care-implementeringer end andre elektronikbaserede biosensing-enheder. De elektrolyt-gated grafenfelt-effekt transistor (EGGFET) biosensorer er eksempler på de angivne FETs 21,24. EGGFET kan påvise forskellige målretningsanalytter såsom nukleinsyrer25, proteiner 24,26, metabolitter27 og andre biologisk relevante analytter28. Den teknik, der er nævnt her, sikrer implementeringen af CVD-grafen i en mærkningsfri biosenserende nanoelektronikenhed, der giver højere følsomhed og nøjagtig tidsdetektion i forhold til andre biosensing-enheder29.
I dette arbejde demonstreres en overordnet proces til udvikling af en EGGFET-biosensor og funktionalisering af den til biomarkørdetektion, herunder overførsel af CVD-grafen til et isolerende substrat, Raman og AFM-karakteriseringer af den overførte grafen. Desuden diskuteres fremstilling af EGGFET og integration med en polydimethylsiloxan (PDMS) prøveleveringsbrønde, bioreceptorfunktionalisering og vellykket påvisning af humant immunglobulin G (IgG) fra serum ved spike-and-recovery eksperimenter også her.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den købte CVD-grafen på kobberfilm skal trimmes til den rigtige størrelse til følgende fremstillingstrin. Skæring af filmene kan forårsage rynker, som skal forhindres. Parametrene i fremstillingstrinnet kan henvises til plasmaætsning af grafen, og disse tal kan varieres, når der anvendes forskellige instrumenter. Den ætsede prøve skal overvåges nøje og inspiceres for at sikre fuldstændig grafenætsning. Flere forrensningsmetoder kan anvendes til rengøring af substraterne, såsom sonikering i acetone, IPA og…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Eksperimenterne blev udført på West Virginia University. Vi anerkender de delte forskningsfaciliteter ved West Virginia University for enhedsfabrikation og materialekarakterisering. Dette arbejde blev støttet af 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 |
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).
