Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

פיתוח ופונקציונליזציה של טרנזיסטור שדה-אפקט גרפן מגודר אלקטרוליטים לזיהוי סמנים ביולוגיים

Published: February 1, 2022 doi: 10.3791/63393
Automatic Translation
1, 2, 1
1Lane Department of Computer Science and Electrical Engineering, West Virginia University, 2Beijing Graphene Institute

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. העברת תצהיר אדים כימיים של גרפן

  1. חותכים את יריעת הגרפן על מצע נחושת לשניים (2.5 ס"מ על 5 ס"מ) באמצעות מספריים. יש למרוח סרט נגד חום כדי לקבע את ארבע הפינות של ריבוע הגרפן על אטם ספינר (ראו טבלת חומרים).
    הערה: לגרפן שנרכש יש ממד של 5 ס"מ x 5 ס"מ (ראה טבלת חומרים).
  2. ספין-ציפו את יריעת הגרפן בשכבה דקה (100-200 ננומטר) של PMMA 495K A4 המסתובבת ב-500 סל"ד במשך 10 שניות ולאחר מכן 2000 סל"ד למשך 50 שניות. לאחר מכן אופים את הדגימה בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
  3. הסר את החלק האחורי של הגרפן עם פלזמת חמצן (ראה טבלת חומרים) ב- 30 W, 15 sccm למשך 5 דקות.
  4. חותכים את ריבוע הגרפן שטופל בפלזמה לממדים קטנים יותר (1 ס"מ x 2 ס"מ) לצורך ייצור המכשיר.
  5. חותכים את המצע המנוקה מראש (SiO2) לחתיכות קטנות במידות משוערות של 2.5 ס"מ על 2 ס"מ.
  6. חרטו את הנחושת באמצעות תחריט מסחרי של גרפן (ברזל כלוריד) (ראו טבלת חומרים). אל תדללו את התחריט. צפו את הדגימה עם צד הנחושת למטה וה-PMMA בצד כלפי מעלה על החריטה הנוזלית.
  7. לאחר תחריט נחושת, הרימו את סרט הגרפן באיטיות באמצעות המצע שטופל בפלזמה.
  8. יש לייבש באוויר את הגרפן המועבר במשך 2 שעות ולאחר מכן לאפות בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
  9. הסר את ה- PMMA בהתאם לשלבים הבאים.
    1. חממו את הדגימה עם אדי אצטון בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס. שמור את הדגימה על ~ 2 ס"מ מעל אדי אצטון למשך 4 דקות כאשר צד ה- PMMA פונה כלפי מטה. לאחר מכן לטבול את הדגימה באצטון במשך 5 דקות.
    2. שטפו את הדגימה במי DI בזהירות והתבוננו בגרפן המועבר תחת מיקרוסקופ. לבסוף, לייבש בעדינות את הדגימה עם N2.
    3. בצע תצפית מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM) כדי להבטיח גרפן נטול שאריות PMMA. אם שאריות PMMA נראות בתמונה, בצעו שוב את ניקוי אדי האצטון ואת הטבילה.
  10. בצע את אפיון Raman ו- AFM כדי לאשר את החד-שכבתי של העברת גרפן ולבחון את תכונות פני השטח (איור 1A,B).

2. ייצור טרנזיסטור אפקט שדה גרפן (GFET)

  1. לשטוף את המצע עם הגרפן המועבר באמצעות אצטון, IPA ומי DI; לאחר מכן אופים את המצע בצלחת חמה בטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות (איור 2A).
  2. באמצעות מאייד קרן E30 (ראו טבלת חומרים), הפקדת ניקל 5 ננומטר ו-45 ננומטר זהב על דגימת הגרפן (איור 2B).
  3. החל את התהליך הראשון של פוטוליתוגרפיה30 באמצעות מסיכה A (איור משלים 1) לצורך התבנית של האלקטרודות (איור 2C).
  4. סובבו פוטורסיסט חיובי (AZ 5214E, ראו טבלת חומרים) על הדגימה (2000 סל"ד במשך 45 שניות) ורפאו את הדגימה ב-120 מעלות צלזיוס למשך דקה אחת.
  5. מקם את הדגימה במערכת החשיפה להצפות UV וחשוף אותה למשך כ-10 שניות מתחת ל-200 מ"ג/ס"מ2.
  6. פתח את הדגימה עם מפתח פוטורסיסט (AZ300 MIF, ראה טבלת חומרים) למשך כ -2 דקות, ולאחר מכן לשטוף עם מים DI.
  7. לטבול את הדגימה בתחריט זהב כדי לחרוט את שכבת הזהב במשך 10 שניות; יש לשטוף במי DI ולהסיר את השכבה הפוטורסיסטית הנותרת על-ידי טבילה באצטון למשך 10 דקות (איור 2C).
  8. באמצעות אצטון, IPA ומי DI, לשטוף את הדגימה; אופים על צלחת חמה בטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. לאחר מכן החל את תהליך הפוטוליתוגרפיה השני באמצעות מסיכה B (איור משלים 1) כדי לעצב את תעלות הגרפן.
    הערה: השתמש באותם פרמטרי תהליך כמו הראשון (שלב 2.4-2.6), למעט מערכת החשיפה לקרינת UV ביישור המסכה (איור 2D).
  9. לטבול את הדגימה בתחריט ניקל ב 60 °C כדי לחרוט את שכבת הניקל במשך 10 שניות; לשטוף עם מים DI; מכה יבשה באמצעות N2 (איור 2D).
  10. הניחו את הדגימה בפלזמה אשר והסירו את הגרפן החשוף באמצעות פלזמת חמצן (100 W ל-90 שניות עם זרימת חמצן ב-49 sccm); לאחר מכן, הסר את שכבת הפוטורסיסט על-ידי טבילה באצטון למשך 10 דקות (איור 2E).
  11. שטפו את הדגימה באמצעות אצטון, IPA ומי DI; יש לאפות על צלחת חמה בטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולהחיל את תהליך הפוטוליתוגרפיה השלישי באמצעות מסיכה C (איור משלים 1) לצורך דוגמה של שכבת הפוטורסיסט של הפסיביציה כדי להגן על הגרפן הבסיסי על המצע. השתמש באותם פרמטרי תהליך כמו הראשון (שלב 2.4-2.6), למעט מערכת החשיפה ל- UV ביישור המסכה (איור 2F).
  12. לאחר תהליך הפוטוליתוגרפיה השלישי, לטבול את הדגימה בתחריט ניקל בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס במשך 10 שניות כדי להסיר את שכבת הניקל הנותרת; לאחר מכן יש לשטוף במי DI ולייבש אותה באמצעות N2 (איור 2G). לבסוף, אופים את הדגימה על פלטה חמה בטמפרטורה של 120 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות (איור 2H).

3. פונקציונליזציה של GFET לזיהוי IgG

  1. הרכיבו את ערוץ מסירת הדגימות.
    1. צרו את ערוץ מסירת הדגימות ב-PDMS באמצעות טכניקות ליתוגרפיה רכות31.
    2. לטבול את התקן הגרפן ב 0.1 M של פתרון NaOH עבור 30 s; לשטוף במי DI ולהשאיר שכבת מים דקה על פני המכשיר כדי לסייע ליישור וההדבקה של באר PDMS. לאחר מכן הפעל את פני השטח של הבאר PDMS באמצעות פלזמת חמצן.
    3. יישר את ערוץ אספקת הדגימה ואת התקן הגרפן תחת מיקרוסקופ; מניחים את המכשיר המיושר בתנור של 60 מעלות צלזיוס למשך 3 שעות כדי לאפשר את ההדבקה. המכשיר המורכב מוצג באיור 3A.
  2. לתפקד את ה-GFET.
    1. פונקציונליזציה של משטח הגרפן באמצעות אפטמר IgG (ראה טבלת חומרים). השתמש בפיפטות כדי לטעון ולהסיר כל מגיב או מאגר מבאר PDMS. התהליך הסכמטי מוצג באיור 4.
      הערה: השלבים הבאים הופעלו בטמפרטורת החדר.
    2. לאחר שטיפת משטח הגרפן עם DMSO שלוש פעמים, יש למרוח חומצה בוטירית 1-פירן N-hydroxysuccinimide ester (PBASE, 10 mM מומס ב- DMSO, ראה טבלת חומרים) ולשמור במשך 2 שעות.
    3. לאחר שטיפה עם DMSO, יש למרוח 5'אפטמר IgG שעבר שינוי אמינו (20 μM ב-1x PBS), לאגור במשך 3 שעות ולשטוף עם 1x PBS שלוש פעמים.
    4. יש למרוח אלבומין בסרום בקר (BSA, 10% w/v ב-1x PBS) על גרפן למשך שעה אחת ולשטוף עם 1x PBS שלוש פעמים.

4. זיהוי IgG

  1. שטפו את המכשיר עם 0.01x PBS שלוש פעמים. מלאו היטב את ה-PDMS ב-0.01x PBS (מאגר זיהוי) (איור 3A,B).
  2. חברו את האלקטרודות עם מנתח פרמטרים בעל ביצועים גבוהים (ראו טבלת חומרים). חברו את אלקטרודת המקור לקרקע, לניקוז ולאלקטרודות השער ליחידות מדידת המקור (SMU 1 ו-SMU 2) המצוידות במנתח הפרמטרים, בהתאמה (איור 3C).
  3. הגדר את פרמטרי המדידה והפעל את תהליך הדגימה.
  4. בדוק את התגובה של EGGFET ל- IgG על ידי ניטור רציף של זרם הניקוז. ממיסים IgG ב-0.01x PBS עם ריכוזים שונים, מוסיפים את התמיסה לתא הגילוי ומנטרים את זרם הניקוז באופן רציף. שמור את הנתונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

התוצאות הייצוגיות מראות את הגרפן CVD המועבר המאופיין ברמאן וב-AFM, בהתאמה. פסגת G והפסגות הדו-ממדיות של תמונת ראמאן מספקות מידע מקיף לגבי קיומו ואיכותו של הגרפן החד-שכבתי המועבר32 (איור 1). תהליכי ליתוגרפיה סטנדרטיים30,31 יושמו לייצור התקן GFET, כפי שמוצג באיור 2. איור 3 מראה את ה-GFET המפוברק עם בארות מסירת דגימות PDMS מורכבות ואת מערך הניסוי. ה-PDMS היה מעורבב ביחס משקל של 10:1 והוטל לתוך צלחת פטרי. ואז כל המנה עם תערובת PDMS נאפתה בתנור בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס למשך 3 שעות. ה-PDMS שנרפא נקלף מהצלחת ונחתך לקובייה (1 ס"מ על 1 ס"מ × 1 ס"מ). הבאר (קוטר 6 מ"מ) נוצרה לאחר מכן על ידי אגרוף קוביית PDMS עם אגרוף.

תהליכי פונקציונליזציה סכמטיים לזיהוי IgG על ידי EGGFET מוצגים באיור 4, ואיור 5 מראה את זיהוי ה-IgG בתנאי אלקטרוליטים שונים24. PBASE, מגיב פונקציונליזציה נפוץ עבור גרפן, יכול להיות נסחט על פני גרפן באמצעות אינטראקציה π-π24 מבלי לפגוע בתכונות החשמליות של גרפן (איור 4A). אפטמר IgG שעבר שינוי אמינו 5′מצומד עם PBASE על ידי קשר הקשרים של קשר האמיד בין אסטר N-הידרוקסיסוצ'ינימיד (NHS) הריאקטיבי ב-PBASE לבין קבוצת האמין בקצה 5′ של אפטמר ה-IgG (איור 4B). דגירה של אלבומין בסרום בקר (BSA), גישה סטנדרטית לזיהוי ביוסנסורים, שימשה לחסימת האתרים הנותרים שאינם מחוברים לאחר שטיפת המכשיר עם 1x PBS (איור 4C). דיון מפורט יותר ניתן למצוא בעבודתנו שפורסמה בעבר24. אלקטרודת הייחוס Ag/AgCl יושמה כדי להגדיר את פוטנציאל השער במהלך הגילוי. טווח הגילוי, טווח הריכוזים שהחיישן יכול למדוד באופן מהימן, נקבע כ-2-50 ננומטר עבור מכשיר EGGFET. דיונים מפורטים יותר על עקרונות כימיים ומדידה המעורבים בזיהוי IgG ועל מגבלת הרגישות והזיהוי של EGGFET דווחו בעבר24.

Figure 1
איור 1: גרפן CVD מאופיין בספקטרוסקופיה של ראמאן ו-AFM. (A) ספקטרום ראמאן מייצג של הגרפן המועבר. פסגת G והפסגות הדו-ממדיות הן הפסגות השולטות בגרפן בתולי. (B) תמונת AFM מייצגת של הגרפן. פרופילי הגובה המתאימים בתמונת ה- AFM מוצגים בחלונית התחתונה לאורך הקו המקווקו הכחול. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: ייצור סכמטי של טרנזיסטור בעל אפקט שדה גרפן. (B) ניקל וזהב שהופקדו על גרפן שהועבר. (C) זהב שנחרט לאחר תהליך הפוטוליטוגרפיה הראשון. (ד) ניקל חרוט לאחר תהליך הפוטוליתוגרפיה השני. (E) הסרת גרפן לא מוגן באמצעות פלזמת חמצן. (F) ציפוי התבנית בפוטורסיסט לצורך שכבות פסיבציה וביצוע תהליך הפוטוליטוגרפיה השלישי. (G) ניקל חרוט לאחר תהליך הפוטוליתוגרפיה השלישי. (ח) חישול לאחר תחריט ניקל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: התקן ומערך ניסיוני לזיהוי IgG. (A) הביוסנסור EGGFET משולב עם אלקטרודת ייחוס Ag/AgCl סטנדרטית וקידוח PDMS להכלת הדגימה. (B) התצוגה המוגדלת של ערוץ הגרפן. (C) הדיאגרמה הסכמטית של חיבור המעגל לאיתור IgG באמצעות הביו-סנסור EGGFET. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: פונקציונליזציה של משטח הגרפן לזיהוי IgG. הודפס מחדש באישור הפניה24. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: התגובה של הביוסנסור EGGFET ל-IgG של הסמן הביולוגי תחת דילולים שונים. הודפס מחדש באישור הפניה24. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור משלים 1: עיצובי מסכות המשמשים לתהליכי פוטוליטוגרפיה. (A) עיצוב המסכה ששימש בתהליך הפוטוליתוגרפיה הראשון. האלקטרודות ניתנות עם ממדים בתמונה המוגדלת A1. (B) עיצוב מסכה המשמש בפוטוליתוגרפיה השנייה בממדים. (C) עיצוב מסכה המשמש בתהליך הפוטוליטוגרפיה השלישי. האלקטרודות ניתנות עם ממדים בתמונה המוגדלת C1. (D) התוצר הסופי של כל שלושת תהליכי הפוטוליתוגרפיה והתמונה המוגדלת D1 מציג את תצורות האלקטרודות. היחידות עבור הממדים הן במילימטרים (מ"מ). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 ולבדוק אותה כדי להבטיח תחריט מלא של גרפן. ניתן ליישם מספר שיטות טרום-ניקוי כדי לנקות את המצעים, כגון סוניקציה באצטון, IPA ומי DI למשך 5 דקות, שטיפת מים DI וייבוש או טיפול בגז חנקן עם פלזמה O2 (300 W, ב~ 100 sccm למשך 5 דקות). קצב תחריט הנחושת הוא כ-1.25-1.67 מיקרון לדקה תוך שימוש בתחריט נחושת ברזל כלוריד מסחרי. תצפית מקרוב נחוצה לתהליך התחריט. לאחר התחריט, יש צורך בשטיפה מספקת עם מי DI.

טכניקת ניקוי האצטון המוזכרת בפרוטוקול היא טכניקת ניקוי השאריות האופטימלית. לניקוי פלזמה יש סיכון לפגיעה בגרפן החד-שכבתי. לכן, הטכניקה הידידותית ביותר לשכבת גרפן היא ניקוי אצטון. אבל הסרת שאריות PMMA היא גם בעלת חשיבות עליונה מכיוון שהיא משפיעה על התהליכים האחרונים. ביצוע ספקטרוסקופיית ראמאן ו- AFM יכול לתת את האיכות בזמן אמת של גרפן ושאריות PMMA. המכשירים והכימיקלים המשמשים בפרוטוקול הם קריטיים מכיוון שהם משפיעים ישירות על איכות המכשיר המפוברק. לכן, יש לבדוק ולעדכן את איכות המכשירים ואת תוקפם של הכימיקלים.

PBASE צריך להישמר יבש ומאוחסן במקפיא של -20 מעלות צלזיוס כדי למנוע הידרוליזה לתפקוד ביו-רקפטור. הבקבוקון המאוחסן צריך להגיע לטמפרטורת החדר לפני פתיחתו; אחרת, מים עלולים להתעבות בתוך הבקבוקון ולעשות הידרוליזה של ה-PBASE. כדי לייצר 10 mM של PBASE, 100 mM של פתרון PBASE צריך להיות מוכן הראשון על ידי המסת 38.5 מ"ג של PBASE ב 1 מ"ל של DMSO ולאחר מכן דילול אותו על ידי גורם של 10.

מכיוון שהריאגנטים והמאגרים נוספו או הוסרו על ידי צנרת ישירות לתוך באר PDMS, המכשיר המודגם בכתב היד לא יאפשר כיול באתר עם שליטה שלילית. מערך רב-ערוצי המשולב עם התקן מיקרופלואידי שתוכנן כראוי יהיה נחוץ למטרה זו. פיתוח נוסף של המכשיר, כגון שילובו עם פלטפורמת זרימה רוחבית, יספק פוטנציאל גדול ליישומי נקודת טיפול33. בנוסף, הממשק בין מוצק לנוזל הוא נושא בעל חשיבות מדעית וטכנולוגית רבה34. לדוגמה, במקרה המסוים של מדיה מימית וגרפן, הוא ממלא תפקיד מכריע ביישומים מתפתחים רבים של גרפן, למשל, כימיה אנליטית35, אגירת אנרגיה והמרה36, סינון מים37 וביוסנסינג38. לחשיפת ההתנהגות בממשק יש משמעות מדעית וטכנית חיונית, במיוחד להבנה מדויקת ומעמיקה יותר של תכונות הגרפן והיישומים המעשיים39,40.

בעבודה הנוכחית, פרוטוקול מפורט מסופק כדי להדגים את הפיתוח של ביוסנסור EGGFET ויישומו בזיהוי סמנים ביולוגיים. עבור שימושים מעשיים של גרפן CVD המועברים על ידי גישת PMMA, זה קריטי להסיר שאריות PMMA לחלוטין כדי לקבל משטח נקי. השיטה מסירה ביעילות שאריות PMMA תוך שמירה על סריג הגרפן הבסיסי. המכשיר הפונקציונלי מציג תוצאות עקביות לאיתור IgG אנושי. חוקרים המעוניינים בכך יכולים להשתמש בפרוטוקול זה כהפניה לבניית התקנים ליישומים ספציפיים, כגון לימוד אינטראקציות ממשק, ביוסנסינג, פיתוח התקנים דומים באמצעות ננו-חומרים אחרים וכו '.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין אינטרסים מתחרים או אינטרסים מנוגדים לחשוף.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Saini, D. Synthesis and functionalization of graphene and application in electrochemical biosensing. Nanotechnology Reviews. 5 (4), 393-416 (2016).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Gao, L., et al. Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum. Nature Communications. 3, 699 (2012).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Suvarnaphaet, P., Pechprasarn, S. Graphene-based materials for biosensors: A review. Sensors (Switzerland). 17 (10), 2161 (2017).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Xu, S. C., et al. Direct synthesis of graphene on SiO2 substrates by chemical vapor deposition. CrystEngComm. 15 (10), 1840-1844 (2013).
  12. Zhang, C., et al. Facile synthesis of graphene on dielectric surfaces using a two-temperature reactor CVD system. Nanotechnology. 24 (39), 395603 (2013).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Xu, S., et al. Direct growth of graphene on quartz substrates for label-free detection of adenosine triphosphate. Nanotechnology. 25 (16), 165702 (2014).
  19. 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).
  20. Zhang, A., Lieber, C. M. - Nano-Bioelectronics. Chemical Reviews. 116 (1), 215-257 (2015).
  21. 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).
  22. Dankerl, M., et al. Graphene solution-gated field-effect transistor array for sensing applications. Advanced Functional Materials. 20 (18), 3117-3124 (2010).
  23. He, Q., Wu, S., Yin, Z., Zhang, H. Graphene -based electronic sensors. Chemical Science. 3 (6), 1764-1772 (2012).
  24. Sun, J., Liu, Y. Matrix effect study and immunoassay detection using electrolyte-gated graphene biosensor. Micromachines. 9 (4), 142 (2018).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Bai, Y., Xu, T., Zhang, X. Graphene-based biosensors for detection of biomarkers. Micromachines. 11 (1), 60 (2020).
  30. Madou, M. J. Fundamentals of Microfabrication The Science of Miniaturization. 2nd ed. , CRC Press. (2002).
  31. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Material Sciences. 28 (1), 153-184 (2003).
  32. Wang, Y. Y., et al. Raman studies of monolayer graphene: The substrate effect. Journal of Physical Chemistry C. 112 (29), 10637-10640 (2008).
  33. 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).
  34. Butt, A. Physics and Chemistry of Interfaces. 3rd ed. , WILEY-VCH. (2003).
  35. Sitko, R., Zawisza, B., Malicka, E. Graphene as a new sorbent in analytical chemistry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 51, 33-43 (2013).
  36. Bai, L., et al. Graphene for energy storage and conversion: Synthesis and Interdisciplinary applications. Electrochemical Energy Reviews. 3 (2), 395-430 (2019).
  37. 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).
  38. Pumera, M. Graphene in biosensing. Materials Today. 14 (7-8), 308-315 (2011).
  39. Sun, J., Liu, Y. Unique constant phase element behavior of the electrolyte-graphene interface. Nanomaterials. 9 (7), 923 (2019).
  40. 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).

Tags

הנדסה גיליון 180 גרפן מופקד אדים כימיים (CVD) העברת גרפן טרנזיסטור אפקט שדה זיהוי סמנים ביולוגיים
פיתוח ופונקציונליזציה של טרנזיסטור שדה-אפקט גרפן מגודר אלקטרוליטים לזיהוי סמנים ביולוגיים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ishraq, S., Sun, J., Liu, Y.… More

Ishraq, S., Sun, J., Liu, Y. Development and Functionalization of Electrolyte-Gated Graphene Field-Effect Transistor for Biomarker Detection. J. Vis. Exp. (180), e63393, doi:10.3791/63393 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter