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

Udvikling og funktionalisering af elektrolyt-gated grafenfelteffekttransistor til biomarkørdetektion

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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Overførsel af kemisk dampaflejring af grafen

  1. Skær grafenarket på et kobbersubstrat i halvdelen (2,5 cm x 5 cm) ved hjælp af en saks. Påfør varmebestandig tape for at fastgøre de fire hjørner af grafenfirkanten på en spinnerpakning (se Materialetabel).
    BEMÆRK: Den købte grafen har en dimension på 5 cm x 5 cm (se Materialetabel).
  2. Spin-coat grafenarket med et tyndt lag (100-200 nm) PMMA 495K A4, der spinder ved 500 o / min i 10 s og derefter 2000 o / min i 50 s. Bag derefter prøven ved 150 °C i 5 min.
  3. Fjern bagsiden af grafen med iltplasma (se materialetabel) ved 30 W, 15 sccm i 5 minutter.
  4. Skær den plasmabehandlede grafenfirkant i mindre dimensioner (1 cm x 2 cm) til fremstilling af enheden.
  5. Skær det forrensede substrat (SiO2) i små stykker med en omtrentlig dimension på 2,5 cm x 2 cm.
  6. Æts kobberet af ved hjælp af grafen kommerciel etchant (jernchlorid) (se tabel over materialer). Fortynd ikke ætsetchanten. Flyd prøven med kobbersiden nedad og PMMA-siden op på den flydende etchant.
  7. Efter kobberætsning løftes grafenfilmen langsomt ved hjælp af det plasmabehandlede substrat.
  8. Lufttør den overførte grafen i 2 timer og bag derefter ved 80 °C i 15 min.
  9. Fjern PMMA ved at følge nedenstående trin.
    1. Prøven opvarmes med acetondamp ved 70 °C. Hold prøven på ~ 2 cm over acetonedamp i 4 minutter med PMMA-siden nedad. Derefter nedsænkes prøven i acetone i 5 minutter.
    2. Vask prøven forsigtigt med DI-vand og observer den overførte grafen under et mikroskop. Til sidst føntørres prøven forsigtigt medN2.
    3. Udfør Atomic Force microscopy (AFM) observation for at sikre PMMA restfri grafen. Hvis PMMA-rester er synlige på billedet, skal du udføre acetondamprensning og nedsænkning igen.
  10. Udfør Raman- og AFM-karakterisering for at bekræfte monolaget af grafenoverførsel og observere overfladeegenskaberne (figur 1A,B).

2. Fremstilling af graphene Field Effect Transistor (GFET)

  1. Vask substratet med det overførte grafen ved hjælp af acetone, IPA og DI-vand; bag derefter substratet på en kogeplade ved 75 °C i 30 minutter (figur 2A).
  2. Ved hjælp af E-strålefordamperen30 (se materialetabellen) deponeres 5 nm nikkel og 45 nm guld på grafenprøven (figur 2B).
  3. Anvend den første fotolitografi30-proces ved hjælp af maske A (supplerende figur 1) til mønstret af elektroderne (figur 2C).
  4. Drej en positiv fotoresist (AZ 5214E, se materialetabel) på prøven (2000 o / min for 45 s), og helbred prøven ved 120 ° C i 1 min.
  5. Anbring prøven i UV-oversvømmelseseksponeringssystemet, og udsæt den i ~ 10 s under 200 mJ /cm2.
  6. Udvikl prøven med en photoresist-udvikler (AZ300 MIF, se Tabel over materialer) i ~ 2 minutter, og skyl derefter med DI-vand.
  7. Sænk prøven i en guldætsfortryllelse for at ætse guldlaget i 10 s; skyl med DI-vand og fjern det resterende photoresist-lag ved at nedsænke i acetone i 10 minutter (figur 2C).
  8. Brug acetone, IPA og DI-vand til at vaske prøven; bages på en kogeplade ved 75 °C i 30 min. Anvend derefter den anden fotolitografiproces ved hjælp af maske B (supplerende figur 1) for at mønstre grafenkanalerne.
    BEMÆRK: Brug de samme procesparametre som den første (trin 2.4-2.6), undtagen UV-eksponeringssystemet i maskejusteringen (figur 2D).
  9. Prøven nedsænkes i nikkeletchant ved 60 °C for at ætse nikkellaget i 10 s; skyl med DI-vand; føntør med N2 (figur 2D).
  10. Anbring prøven i plasmaasken, og fjern den eksponerede grafen ved hjælp af iltplasma (100 W i 90 s med iltstrøm ved 49 sccm); Fjern derefter photoresist-laget ved at nedsænke i acetone i 10 minutter (figur 2E).
  11. Vask prøven med acetone, IPA og DI-vand; bages på en kogeplade ved 75 °C i 30 minutter, og den tredje fotolitografiproces påføres ved hjælp af maske C (supplerende figur 1) til mønstret af passiveringsfotoresistlaget for at beskytte den underliggende grafen på substratet. Brug de samme procesparametre som den første (trin 2.4-2.6), undtagen UV-eksponeringssystemet i maskejusteringen (figur 2F).
  12. Efter den tredje fotolitografiproces nedsænkes prøven i nikkeletchant ved 60 °C i 10 s for at fjerne det resterende nikkellag; Skyl derefter med DI-vand og føntør med N2 (figur 2G). Til sidst bages prøven på en kogeplade ved 120 °C i 30 minutter (figur 2H).

3. Funktionalisering af GFET til IgG-detektion

  1. Saml prøveleveringskanalen.
    1. Fabrikér prøveleveringskanalen i PDMS ved hjælp af bløde litografiteknikker31.
    2. Sænk grafenenheden i 0,1 M NaOH-opløsning i 30 s; skyl med DI-vand og efterlad et tyndt vandlag på enhedens overflade for at hjælpe PDMS-brøndens justering og limning. Aktivér derefter PDMS-brøndens overflade ved hjælp af iltplasma.
    3. Juster prøveleveringskanalen og grafenenheden under et mikroskop; Anbring den justerede enhed i en ovn på 60 °C i 3 timer for at tillade limning. Den samlede enhed er vist i figur 3A.
  2. Funktionaliser GFET.
    1. Funktionaliser grafenoverfladen med IgG aptamer (se Tabel over materialer). Brug pipetter til at indlæse og fjerne hvert reagens eller buffer fra PDMS-brønden. Den skematiske proces er vist i figur 4.
      BEMÆRK: Følgende trin blev betjent ved stuetemperatur.
    2. Efter skylning af grafenoverfladen med DMSO tre gange påføres 1-pyrensmørsyre N-hydroxysuccinimidester (PBASE, 10 mM opløst i DMSO, se materialetabel) og opbevares i 2 timer.
    3. Efter skylning med DMSO påføres 5'aminomodificeret IgG-aptamer (20 μM i 1x PBS), inkuberes i 3 timer og skylles med 1x PBS tre gange.
    4. Påfør kvægserumalbumin (BSA, 10% w/v i 1x PBS) på grafen i 1 time og skyl med 1x PBS tre gange.

4. IgG-detektion

  1. Skyl enheden med 0,01x PBS tre gange. Fyld PDMS-brønden med 0,01x PBS (detektionsbuffer) (figur 3A,B).
  2. Tilslut elektroderne med en højtydende parameteranalysator (se materialetabel). Tilslut kildeelektroden til jorden, afløbet og portelektrerne til kildemåleenheder (SMU 1 og SMU 2) udstyret med henholdsvis parameteranalysatoren (figur 3C).
  3. Konfigurer måleparametrene, og tænd for prøveudtagningsprocessen.
  4. Test EGGFET's reaktion på IgG ved løbende at overvåge afløbsstrømmen. Opløs IgG i 0,01x PBS med forskellige koncentrationer, tilsæt opløsningen i detektionskammeret, og overvåg afløbsstrømmen kontinuerligt. Gem dataene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De repræsentative resultater viser den overførte CVD-grafen karakteriseret ved henholdsvis Raman og AFM. G-toppen og 2D-toppene i Raman-billedet giver omfattende information om eksistensen og kvaliteten af den overførte monolagsgrafen32 (figur 1). Standard litografiprocesser30,31 blev anvendt til fremstilling af GFET-enheden, som vist i figur 2. Figur 3 viser den fremstillede GFET med samlede PDMS-prøveleveringsbrønde og den eksperimentelle opsætning. PDMS blev blandet i et vægtforhold på 10:1 og støbt i en petriskål. Derefter blev hele fadet med PDMS-blanding bagt i en ovn ved 60 °C i 3 timer. Den hærdede PDMS blev skrællet af fadet og trimmet til en terning (1 cm x 1 cm × 1 cm). Brønden (6 mm diameter) blev derefter skabt ved at stanse PDMS-terningen med en puncher.

Skematiske funktionaliseringsprocesser til IgG-detektion ved hjælp af EGGFET er vist i figur 4, og figur 5 viser IgG-detektionen under forskellige elektrolytbetingelser24. PBASE, et meget anvendt funktionaliseringsreagens til grafen, kan adsorberes på grafenoverfladen gennem en π-π interaktion24 uden at beskadige grafens elektriske egenskaber (figur 4A). En 5′aminomodificeret IgG-aptamer konjugeres med PBASE ved amidbindingsforbindelserne mellem den reaktive N-hydroxysuccinimidester (NHS) i PBASE og amingruppen på 5′-enden af IgG-aptameren (figur 4B). Bovin serumalbumin (BSA) inkubation, en standardmetode til biosensordetektion, blev brugt til at blokere de resterende ukonjugerede steder efter skylning af enheden med 1x PBS (figur 4C). En mere detaljeret diskussion kan findes i vores tidligere offentliggjorte arbejde24. Ag/AgCl-referenceelektroden blev anvendt til at definere portpotentialet under detektionen. Detektionsområdet, koncentrationsområdet, som en sensor pålideligt kan måle, bestemmes til at være omkring ~ 2-50 nM for EGGFET-enheden. Mere detaljerede drøftelser om kemiske principper og måleprincipper, der er involveret i IgG-detektion og EGGFETs følsomheds- og detektionsgrænse, blev tidligere rapporteret24.

Figure 1
Figur 1: CVD-grafen er kendetegnet ved Raman og AFM-spektroskopi. (A) Repræsentativt Raman-spektrum af den overførte grafen. G-toppen og 2D-toppene er de fremherskende toppe af uberørt grafen. B) Repræsentativt AFM-billede af grafen. De tilsvarende højdeprofiler i AFM-billedet vises i bundpanelet langs den blå stiplede linje. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Skematisk fremstilling af grafenfelteffekttransistor. (A) Monolagsgrafen overført til siliciumdioxidsubstrater. B) Nikkel og guld deponeret på overført grafen. (C) Guld ætset efter den første fotolitografiproces. D) Nikkel ætset efter den anden fotolitografiproces. (E) Fjernelse af ubeskyttet grafen ved hjælp af oxygenplasma. (F) Belægning af mønsteret med photoresist til passivering lagdeling og udførelse af den tredje fotolitografiproces. G) Nikkel ætset efter den tredje fotolitografiproces. H) Udglødning efter ætsning af nikkel. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Enheds- og eksperimentel opsætning til IgG-detektion. (A) EGGFET-biosensoren integreret med en standard Ag/AgCl-referenceelektrode og en PDMS-brønd til at indeholde prøven. (B) Det forstørrede billede af grafenkanalen. (C) Det skematiske diagram over kredsløbsforbindelsen til detektering af IgG ved hjælp af EGGFET-biosensoren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Funktionalisering af grafenoverfladen til IgG-detektion. Genoptrykt med tilladelse fra reference24. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: EGGFET-biosensorens reaktion på biomarkør IgG under forskellige fortyndingsmidler. Genoptrykt med tilladelse fra reference24. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende figur 1: Maskedesign, der anvendes til fotolitografiprocesser. (A) Maskedesignet, der blev anvendt i den første fotolitografiproces. Elektroderne er givet med dimensioner i det forstørrede billede A1. (B) Maskedesign, der anvendes i den anden fotolitografi med dimensioner. (C) Maskedesign, der anvendes i den tredje fotolitografiproces. Elektroderne er givet med dimensioner i det forstørrede billede C1. (D) Det endelige produkt af alle tre fotolitografiprocesser og det forstørrede billede D1 viser elektrodekonfigurationerne. Enhederne for dimensionerne er i millimeter (mm). Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 DI-vand i 5 minutter, DI-vandskylning og nitrogengastørring eller behandling medO2-plasma (300 W, ved ~ 100 sccm i 5 minutter). Kobberætsningshastigheden er ca. 1,25-1,67 mikron / min, mens du bruger den kommercielle jernchlorid kobberetchant. Tæt observation er nødvendig for ætsningsprocessen. Efter ætsningen er der behov for en tilstrækkelig skylning med DI-vand.

Acetonerensningsteknikken, der er nævnt i protokollen, er den optimale restrensningsteknik. Plasmarensning har risiko for at skade monolagsgrafen. Så den mest grafenlagvenlige teknik er acetonerensning. Men fjernelse af PMMA-rester er også af primær betydning, da det påvirker sidstnævnte processer. Udførelse af Raman-spektroskopi og AFM kan give realtidskvaliteten af grafen og PMMA-resten. Instrumenterne og de kemikalier, der anvendes i protokollen, er kritiske, da disse direkte påvirker kvaliteten af den fremstillede enhed. Så kvaliteten af instrumenterne og kemikaliernes gyldighed skal kontrolleres og opdateres.

PBASE skal holdes tør og opbevares i -20 °C fryser for at undgå hydrolyse til bioreceptorfunktionalisering. Det lagrede hætteglas skal nå stuetemperatur, inden det åbnes; Ellers kan vand kondensere inde i hætteglasset og hydrolysere PBASE. For at fremstille 10 mM PBASE skal 100 mM PBASE-opløsning først fremstilles ved at opløse 38,5 mg PBASE i 1 ml DMSO og derefter fortynde den med en faktor 10.

Fordi reagenserne og bufferne blev tilsat eller fjernet ved pipettering direkte i PDMS-brønden, ville den enhed, der blev demonstreret i manuskriptet, ikke tillade en kalibrering på stedet med negativ kontrol. Et flerkanals array integreret med en korrekt designet mikrofluidisk enhed ville være nødvendig til dette formål. Yderligere udvikling af udstyret, f.eks. ved at kombinere det med en sideværts flowplatform, vil give et stort potentiale for point-of-care-applikationer33. Derudover er grænsefladen mellem fast og flydende et emne af stor videnskabelig og teknologisk betydning34. I det særlige tilfælde af vandige medier og grafen spiller det f.eks. en afgørende rolle i mange nye anvendelser af grafen, f.eks. analytisk kemi35, energilagring og -konvertering36, vandfiltrering37 og biosensing38. Unraveling adfærd ved grænsefladen har væsentlig videnskabelig og teknisk betydning, især for en nøjagtig og mere dybtgående forståelse af grafens egenskaber og praktiske anvendelser39,40.

I det foreliggende arbejde tilvejebringes en detaljeret protokol for at demonstrere udviklingen af EGGFET-biosensoren og dens anvendelse i biomarkørdetektion. Til praktiske anvendelser af CVD-grafen, der overføres ved PMMA-metoden, er det afgørende at fjerne PMMA-rester fuldstændigt for at få en ren overflade. Metoden fjerner effektivt PMMA-rester, samtidig med at det underliggende grafengitter bevares. Den funktionelle enhed viser konsistente resultater til påvisning af human IgG. Interesserede forskere kunne bruge denne protokol som en reference til at bygge enheder til specifikke applikationer, såsom at studere grænsefladeinteraktioner, biosensing, udvikle lignende enheder ved hjælp af andre nanomaterialer osv.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende interesser eller modstridende interesser at oplyse.

Acknowledgments

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

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

Engineering Udgave 180 Kemisk dampdeponeret (CVD) grafen grafenoverførsel felteffekttransistor biomarkørdetektion
Udvikling og funktionalisering af elektrolyt-gated grafenfelteffekttransistor til biomarkørdetektion
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