Utveckling och funktionalisering av elektrolyt-gated grafenfälteffekttransistor för biomarkördetektion
Summary
Detta protokoll visar utvecklingen av elektrolyt-gated grafenfälteffekttransistor (EGGFET) biosensor och dess tillämpning i biomarkörimmunglobulin G (IgG) detektion.
Abstract
I den aktuella studien har grafen och dess derivat undersökts och använts för många tillämpningar, inklusive elektronik, avkänning, energilagring och fotokatalys. Syntes och tillverkning av hög kvalitet, god enhetlighet och låga defekter grafen är avgörande för högpresterande och mycket känsliga enheter. Bland många syntesmetoder kan kemisk ångavsättning (CVD), som anses vara ett ledande tillvägagångssätt för tillverkning av grafen, styra antalet grafenskikt och ge grafen av hög kvalitet. CVD-grafen måste överföras från metallunderlaget på vilka det odlas på isolerande substrat för praktiska tillämpningar. Separation och överföring av grafen till nya substrat är dock utmanande för ett enhetligt skikt utan att skada eller påverka grafenets strukturer och egenskaper. Dessutom har elektrolyt-gated grafenfälteffekttransistor (EGGFET) demonstrerats för sina breda tillämpningar i olika biomolekylära detektioner på grund av dess höga känslighet och standardkonfiguration. I denna artikel demonstreras poly (metylmetakrylat) (PMMA)-assisterad grafenöverföringsmetod, tillverkning av grafenfälteffekttransistor (GFET) och biomarkörimmunglobulin G (IgG) detektion. Ramanspektroskopi och atomkraftmikroskopi applicerades för att karakterisera den överförda grafenen. Metoden har visat sig vara ett praktiskt tillvägagångssätt för att överföra rent och restfritt grafen samtidigt som det underliggande grafengitteret bevaras till ett isolerande substrat för elektronik eller biosensingapplikationer.
Introduction
Grafen och dess derivat har undersökts och använts för många applikationer, inklusive elektronik 1,2, avkänning 3,4,5, energilagring 6,7 och fotokatalys 1,6,8. Syntes och tillverkning av hög kvalitet, god enhetlighet och låga defekter grafen är avgörande för högpresterande och mycket känsliga enheter. Sedan utvecklingen av kemisk ångavsättning (CVD) 2009 har den visat kolossalt löfte och satt sin plats som en viktig medlem av grafenfamiljen 9,10,11,12,13. Den odlas på ett metallsubstrat och överförs senare för praktisk användning till isolerande substrat14. Flera överföringsmetoder har använts för att överföra CVD-grafen nyligen. Den poly (metylmetakrylat) (PMMA) assisterade metoden är den mest använda bland de olika teknikerna. Denna metod är särskilt väl lämpad för industriell användning på grund av dess storskaliga kapacitet, lägre kostnad och höga kvalitet på det överförda grafenet14,15. Den kritiska aspekten av denna metod är att bli av med PMMA-återstoden för CVD-grafens applikationer eftersom resterna kan orsaka deklination av de elektroniska egenskaperna hos grafen 14,15,16, orsaka en effekt på biosensorernas känslighet och prestanda 17,18 och skapa betydande variationer från enhet till enhet19.
Nanomaterialbaserade biosensorer har undersökts avsevärt under de senaste decennierna, inklusive kiselnanotråd (SiNW), kolnanorör (CNT) och grafen20. På grund av sin enatomskiktsstruktur och särskiljande egenskaper visar grafen överlägsna elektroniska egenskaper, god biokompatibilitet och facil funktionalisering, vilket gör det till ett attraktivt material för att utveckla biosensorer 14,21,22,23. På grund av fälteffekttransistorer (FET) egenskaper som hög känslighet, standardkonfiguration och kostnadseffektiv massproducerbarhet21,24 är FET mer föredraget i bärbara och patientvårdsimplementeringar än andra elektronikbaserade biosenseringsenheter. De elektrolyt-gated grafenfälteffekttransistorn (EGGFET) biosensorerna är exempel på de angivna FET21,24. EGGFET kan detektera olika målinriktade analyter såsom nukleinsyror25, proteiner24,26, metaboliter27 och andra biologiskt relevanta analyter28. Tekniken som nämns här säkerställer implementeringen av CVD-grafen i en etikettfri biosensing nanoelektronikanordning som erbjuder högre känslighet och exakt tidsdetektering jämfört med andra biosensing-enheter29.
I detta arbete demonstreras en övergripande process för att utveckla en EGGFET-biosensor och funktionalisera den för biomarkördetektion, inklusive överföring av CVD-grafen till ett isolerande substrat, Raman och AFM-karakteriseringar av den överförda grafenen. Vidare diskuteras tillverkning av EGGFET och integration med en polydimetylsiloxan (PDMS) provleveransbrunn, bioreceptorfunktionalisering och framgångsrik detektion av humant immunglobulin G (IgG) från serum genom spik-och-återhämtningsexperiment diskuteras också här.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den köpta CVD-grafen på kopparfilm måste trimmas till rätt storlek för följande tillverkningssteg. Skärning av filmerna kan orsaka rynkor, vilket måste förhindras. Parametrarna i tillverkningssteget kan hänvisas till för plasmaetsning av grafen, och dessa siffror kan varieras vid användning av olika instrument. Det etsade provet måste övervakas noggrant och inspekteras för att säkerställa fullständig grafenetsning. Flera förrengöringsmetoder kan tillämpas för att rengöra substraten, såsom ultralju…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Experimenten genomfördes vid West Virginia University. Vi erkänner de delade forskningsanläggningarna vid West Virginia University för tillverkning av enheter och materialkarakterisering. Detta arbete stöddes av 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).
