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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Das vorliegende Protokoll demonstriert die Entwicklung eines elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistors (EGGFET) Biosensors und seine Anwendung beim Nachweis von Biomarker-Immunglobulin G (IgG).

Zusammenfassung

In der aktuellen Studie wurden Graphen und seine Derivate für viele Anwendungen untersucht und verwendet, darunter Elektronik, Sensorik, Energiespeicherung und Photokatalyse. Die Synthese und Herstellung von Graphen von hoher Qualität, guter Gleichmäßigkeit und geringen Defekten ist für leistungsstarke und hochempfindliche Geräte von entscheidender Bedeutung. Unter vielen Synthesemethoden kann die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die als führender Ansatz zur Herstellung von Graphen gilt, die Anzahl der Graphenschichten kontrollieren und hochwertiges Graphen ergeben. CVD-Graphen muss von den Metallsubstraten, auf denen es gezüchtet wird, für praktische Anwendungen auf isolierende Substrate übertragen werden. Die Trennung und Übertragung von Graphen auf neue Substrate ist jedoch für eine gleichmäßige Schicht eine Herausforderung, ohne die Strukturen und Eigenschaften von Graphen zu beschädigen oder zu beeinträchtigen. Darüber hinaus wurde der elektrolytgesteuerte Graphen-Feldeffekttransistor (EGGFET) aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und Standardgerätekonfiguration für seine breiten Anwendungen in verschiedenen biomolekularen Detektionen demonstriert. In diesem Artikel werden der poly (methylmethacrylat) (PMMA)-unterstützte Graphentransferansatz, die Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET) und der Biomarker-Immunglobulin-G (IgG)-Nachweis demonstriert. Raman-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie wurden angewendet, um das übertragene Graphen zu charakterisieren. Es hat sich gezeigt, dass das Verfahren ein praktischer Ansatz ist, um sauberes und rückstandsfreies Graphen zu übertragen und gleichzeitig das darunter liegende Graphengitter auf einem isolierenden Substrat für Elektronik- oder Biosensoranwendungen zu erhalten.

Einleitung

Graphen und seine Derivate wurden für viele Anwendungen untersucht und verwendet, einschließlich Elektronik 1,2, Sensorik 3,4,5, Energiespeicherung 6,7 und Photokatalyse 1,6,8. Die Synthese und Herstellung von Graphen von hoher Qualität, guter Gleichmäßigkeit und geringen Defekten ist für leistungsstarke und hochempfindliche Geräte von entscheidender Bedeutung. Seit der Entwicklung der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) im Jahr 2009 hat es sich als kolossales Versprechen erwiesen und seinen Platz als wesentliches Mitglied der Graphenfamilie 9,10,11,12,13 festgelegt. Es wird auf einem Metallsubstrat angebaut und später für praktische Anwendungen auf isolierende Substrateübertragen 14. In letzter Zeit wurden mehrere Übertragungsmethoden verwendet, um CVD-Graphen zu übertragen. Die Poly (Methylmethacrylat) (PMMA) unterstützte Methode ist die am häufigsten verwendete unter den verschiedenen Techniken. Dieses Verfahren eignet sich aufgrund seiner großflächigen Leistungsfähigkeit, der geringeren Kosten und der hohen Qualität des übertragenen Graphens14,15 besonders gut für den industriellen Einsatz. Der kritische Aspekt dieser Methode besteht darin, den PMMA-Rückstand für CVD-Graphenanwendungen loszuwerden, da die Rückstände eine Deskription der elektronischen Eigenschaften von Graphen 14,15,16 verursachen können, einen Einfluss auf die Empfindlichkeit und Leistung von Biosensorenhaben 17,18 und signifikante Geräte-zu-Gerät-Variationen verursachen können 19.

Nanomaterialbasierte Biosensoren wurden in den letzten Jahrzehnten erheblich untersucht, darunter Silizium-Nanodraht (SiNW), Kohlenstoffnanoröhre (CNT) und Graphen20. Aufgrund seiner Einzelatomschichtstruktur und seiner charakteristischen Eigenschaften weist Graphen überlegene elektronische Eigenschaften, gute Biokompatibilität und einfache Funktionalisierung auf, was es zu einem attraktiven Material für die Entwicklung von Biosensoren 14,21,22,23 macht. Aufgrund der Eigenschaften von Feldeffekttransistoren (FET) wie hoher Empfindlichkeit, Standardkonfiguration und kostengünstiger Massenproduzierbarkeit21,24 wird FET in tragbaren und Point-of-Care-Implementierungen bevorzugter als andere elektronikbasierte Biosensorgeräte. Die elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistoren (EGGFET) Biosensoren sind Beispiele für die angegebenen FETs21,24. EGGFET kann verschiedene Zielanalyten wie Nukleinsäuren 25, Proteine 24,26, Metaboliten 27 und andere biologisch relevante Analyten 28 nachweisen. Die hier erwähnte Technik gewährleistet die Implementierung von CVD-Graphen in einem markierungsfreien biosensorischen Nanoelektronikgerät, das eine höhere Empfindlichkeit und genaue Zeiterfassung als andere Biosensorgerätebietet 29.

In dieser Arbeit wird ein Gesamtprozess zur Entwicklung eines EGGFET-Biosensors und dessen Funktionalisierung für den Biomarkernachweis, einschließlich der Übertragung von CVD-Graphen auf ein isolierendes Substrat, Raman, und AFM-Charakterisierungen des übertragenen Graphens demonstriert. Darüber hinaus werden hier auch die Herstellung von EGGFET und die Integration mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Probenabgabe, die Biorezeptorfunktionalisierung und der erfolgreiche Nachweis von humanem Immunglobulin G (IgG) aus Serum durch Spike-and-Recovery-Experimente diskutiert.

Protokoll

1. Übertragung der chemischen Gasphasenabscheidung von Graphen

  1. Schneiden Sie die Graphenplatte auf einem Kupfersubstrat mit einer Schere in zwei Hälften (2,5 cm x 5 cm). Tragen Sie hitzebeständiges Band auf, um die vier Ecken des Graphenquadrats auf einer Spinnerdichtung zu befestigen (siehe Materialtabelle).
    HINWEIS: Das gekaufte Graphen hat eine Abmessung von 5 cm x 5 cm (siehe Materialtabelle).
  2. Drehen Sie die Graphenplatte mit einer dünnen Schicht (100-200 nm) PMMA 495K A4, die sich bei 500 U / min für 10 s und dann 2000 U / min für 50 s dreht. Dann backen Sie die Probe bei 150 °C für 5 min.
  3. Entfernen Sie die Rückseite des Graphens mit Sauerstoffplasma (siehe Materialtabelle) bei 30 W, 15 sccm für 5 min.
  4. Schneiden Sie das plasmabehandelte Graphenquadrat für die Geräteherstellung in kleinere Abmessungen (1 cm x 2 cm).
  5. Schneiden Sie das vorgereinigte Substrat (SiO 2) in kleine Stücke mit einem ungefähren Maß von 2,5 cm x2 cm.
  6. Ätzen Sie das Kupfer mit dem kommerziellen Graphenätzmittel (Eisenchlorid) ab (siehe Materialtabelle). Verdünnen Sie den Etchant nicht. Schwimmen Sie die Probe mit der Kupferseite nach unten und der PMMA-Seite nach oben auf dem flüssigen Etchant.
  7. Nach dem Kupferätzen heben Sie den Graphenfilm langsam mit dem plasmabehandelten Substrat an.
  8. Das übertragene Graphen 2 h an der Luft trocknen und dann 15 min bei 80 °C backen.
  9. Entfernen Sie das PMMA mit den folgenden Schritten.
    1. Die Probe mit Acetondampf bei 70 °C aufwärmen. Halten Sie die Probe bei ~ 2 cm über dem Acetondampf für 4 Minuten mit der PMMA-Seite nach unten. Dann tauchen Sie die Probe für 5 min in Aceton.
    2. Waschen Sie die Probe vorsichtig mit DI-Wasser und beobachten Sie das übertragene Graphen unter dem Mikroskop. Zum Schluss die Probe vorsichtig mitN2 föhnen.
    3. Führen Sie eine AFM-Beobachtung (Atomic Force Microscopy) durch, um PMMA-rückstandsfreies Graphen sicherzustellen. Wenn PMMA-Rückstände im Bild sichtbar sind, führen Sie die Acetondampfreinigung und das Eintauchen erneut durch.
  10. Führen Sie eine Raman- und AFM-Charakterisierung durch, um die Monoschicht der Graphenübertragung zu bestätigen und die Oberflächeneigenschaften zu beobachten (Abbildung 1A, B).

2. Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET)

  1. Waschen Sie das Substrat mit dem übertragenen Graphen mit Aceton, IPA und DI-Wasser; Dann das Substrat auf einer heißen Platte bei 75 °C für 30 min backen (Abbildung 2A).
  2. Mit dem E-Beam-Verdampfer30 (siehe Materialtabelle) werden 5 nm Nickel und 45 nm Gold auf der Graphenprobe abgeschieden (Abbildung 2B).
  3. Wenden Sie das erste Photolithographie-30-Verfahren mit Maske A (Ergänzende Abbildung 1) für die Strukturierung der Elektroden an (Abbildung 2C).
  4. Drehen Sie einen positiven Fotolack (AZ 5214E, siehe Materialtabelle) auf der Probe (2000 U/min für 45 s) und härten Sie die Probe bei 120 °C für 1 min aus.
  5. Legen Sie die Probe in das UV-Hochwasserexpositionssystem und belichten Sie sie für ~ 10 s unter 200 mJ / cm2.
  6. Entwickeln Sie die Probe mit einem Fotolackentwickler (AZ300 MIF, siehe Materialtabelle) für ~ 2 min und spülen Sie sie dann mit DI-Wasser ab.
  7. Tauchen Sie die Probe in eine Goldradierung ein, um die Goldschicht für 10 s zu ätzen; Mit DI-Wasser abspülen und die restliche Fotolackschicht entfernen, indem Sie 10 min in Aceton eintauchen (Abbildung 2C).
  8. Waschen Sie die Probe mit Aceton, IPA und DI-Wasser. Auf einer heißen Platte bei 75 °C für 30 min backen. Wenden Sie dann den zweiten Photolithographieprozess mit der Maske B (Ergänzende Abbildung 1) an, um die Graphenkanäle zu strukturieren.
    HINWEIS: Verwenden Sie die gleichen Prozessparameter wie die ersten (Schritt 2.4-2.6), mit Ausnahme des UV-Belichtungssystems im Masken-Aligner (Abbildung 2D).
  9. Tauchen Sie die Probe bei 60 °C in Nickelätzmittel, um die Nickelschicht für 10 s zu ätzen; mit DI-Wasser abspülen; Föhnen Sie mit N2 (Abbildung 2D).
  10. Legen Sie die Probe in den Plasma-Asher und entfernen Sie das exponierte Graphen mit Sauerstoffplasma (100 W für 90 s mit Sauerstofffluss bei 49 sccm); Entfernen Sie anschließend die Fotolackschicht, indem Sie 10 Minuten lang in Aceton eintauchen (Abbildung 2E).
  11. Waschen Sie die Probe mit Aceton, IPA und DI-Wasser; 30 min auf einer heißen Platte bei 75 °C backen und das dritte Photolithographieverfahren mit Maske C (Ergänzende Abbildung 1) zur Strukturierung der Passivierungs-Fotolackschicht anwenden, um das darunter liegende Graphen auf dem Substrat zu schützen. Verwenden Sie die gleichen Prozessparameter wie der erste (Schritt 2.4-2.6), mit Ausnahme des UV-Belichtungssystems im Maskenaligner (Abbildung 2F).
  12. Nach dem dritten Photolithographieverfahren tauchen Sie die Probe bei 60 °C für 10 s in Nickelätzmittel, um die verbleibende Nickelschicht zu entfernen. dann mit DI-Wasser abspülen und mitN2 föhnen (Abbildung 2G). Zum Schluss die Probe 30 min lang auf einer Kochplatte bei 120 °C backen (Abbildung 2H).

3. Funktionalisierung von GFET für die IgG-Erkennung

  1. Stellen Sie den Sample-Delivery-Kanal zusammen.
    1. Stellen Sie den Probenlieferkanal in PDMS mit weichen Lithographietechnikenher 31.
    2. Tauchen Sie das Graphengerät 30 s lang in 0,1 m NaOH-Lösung ein; Mit DI-Wasser abspülen und eine dünne Wasserschicht auf der Geräteoberfläche belassen, um die Ausrichtung und Bindung des PDMS-Brunnens zu unterstützen. Aktivieren Sie dann die Oberfläche des PDMS-Brunnens mit Sauerstoffplasma.
    3. Richten Sie den Probenabgabekanal und das Graphengerät unter einem Mikroskop aus. Legen Sie das ausgerichtete Gerät für 3 h in einen 60 °C Ofen, um die Verklebung zu ermöglichen. Das zusammengebaute Gerät ist in Abbildung 3A dargestellt.
  2. Funktionalisieren Sie das GFET.
    1. Funktionalisieren Sie die Graphenoberfläche mit IgG-Aptamer (siehe Materialtabelle). Verwenden Sie Pipetten, um jedes Reagenz oder jeden Puffer aus dem PDMS-Bohrloch zu laden und zu entfernen. Der schematische Ablauf ist in Abbildung 4 dargestellt.
      HINWEIS: Die folgenden Schritte wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.
    2. Nachdem Sie die Graphenoberfläche dreimal mit DMSO gespült haben, tragen Sie 1-Pyrenbuttersäure N-Hydroxysuccinimidester (PBASE, 10 mM in DMSO gelöst, siehe Materialtabelle) auf und halten Sie sie für 2 h.
    3. Nach dem Spülen mit DMSO 5'aminomodifiziertes IgG-Aptamer (20 μM in 1x PBS) auftragen, 3 h inkubieren und dreimal mit 1x PBS spülen.
    4. Rinderserumalbumin (BSA, 10% w/v in 1x PBS) für 1 h auf Graphen auftragen und dreimal mit 1x PBS abspülen.

4. IgG-Erkennung

  1. Spülen Sie das Gerät dreimal mit 0,01x PBS ab. Füllen Sie die PDMS-Bohrung mit 0,01x PBS (Erkennungspuffer) (Abbildung 3A,B).
  2. Verbinden Sie die Elektroden mit einem leistungsstarken Parameteranalysator (siehe Materialverzeichnis). Schließen Sie die Quellelektrode an den Boden, den Abfluss und die Gate-Elektroden an Quellenmesseinheiten (SMU 1 und SMU 2) an, die mit dem Parameteranalysator ausgestattet sind (Abbildung 3C).
  3. Richten Sie die Messparameter ein und schalten Sie den Probenahmevorgang ein.
  4. Testen Sie die Reaktion des EGGFET auf IgG, indem Sie den Entleerungsstrom kontinuierlich überwachen. IgG in 0,01x PBS mit unterschiedlichen Konzentrationen auflösen, die Lösung in die Detektionskammer geben und den Ablaufstrom kontinuierlich überwachen. Speichern Sie die Daten.

Ergebnisse

Die repräsentativen Ergebnisse zeigen das übertragene CVD-Graphen, das durch Raman bzw. AFM gekennzeichnet ist. Der G-Peak und die 2D-Peaks des Raman-Bildes geben umfassende Informationen über die Existenz und die Qualität des übertragenen Monolayer-Graphens32 (Abbildung 1). Standard-Lithographieverfahren30,31 wurden für die Herstellung des GFET-Geräts angewendet, wie in Abbildung 2 dargestellt

Diskussion

Das gekaufte CVD-Graphen auf Kupferfolie muss für die folgenden Herstellungsschritte auf die richtige Größe zugeschnitten werden. Das Schneiden der Folien kann zu Faltenbildung führen, was verhindert werden muss. Die im Herstellungsschritt bereitgestellten Parameter können für das Plasmaätzen von Graphen herangezogen werden, und diese Zahlen können bei Verwendung verschiedener Instrumente variiert werden. Die geätzte Probe muss genau überwacht und inspiziert werden, um eine vollständige Graphenätzung zu gewä...

Offenlegungen

Die Autoren haben keine konkurrierenden Interessen oder widersprüchlichen Interessen offenzulegen.

Danksagungen

Die Experimente wurden an der West Virginia University durchgeführt. Wir danken den Shared Research Facilities an der West Virginia University für die Herstellung von Geräten und die Materialcharakterisierung. Diese Arbeit wurde von der US National Science Foundation unter Grant No. NSF1916894

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
1-pyreneutyric acid N- hydroxysuccinimide esterSigma Aldrich457078-1Gfunctionalization
Asylum MFP-3D Atomic Force MicroscopeOxford Instrumentsgraphene characterization
AZ 300 MIFMicroChemicalsAZ 300 MIFphotoresist developer
AZ 300 MIFMicroChemicalsAZ 300 MIFphotoresist
Bovine Serum AlbuminSigma Aldrich810014blocking
Branson 1210 SonicatorSONITEKsample cleaning
Copper EtchantSigma Aldrich667528-500MLremoving copper film to release graphene
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)VWR97063-136functionalization
Disposable Biopsy Punches, Integra MiltexVWR21909-144create well in PDMS
Gold etchantGold Etch, TFA, Transene658148enchant
GrapheneGraphene supermarket2" x 2" sheetbiosensing element of the device
IgG aptamerBase Pair Biotechnologiescustomizedbioreceptor
Keithley 4200A-SCS Parameter AnalyzerTektronixmeasurement and detection
KMG CR-6KMG chemicals64216Chromium etchant
Kurt J. Lesker E-beam EvaporatorKurt J. Leskermetal deposition
Laurell Technologies 400 SpinnersLaurell TechnologiesWS-400BZ-6NPP/LITEthin film coating
March PX-250 Plasma AsherMarch Instrumentssample cleaning
Nickel etchantNickel Etchant, TFB, Transene600016000etchant
OAI Flood ExposureOAIphotolithography
Phosphate Buffered Saline (PBS)Sigma Aldrich806552-500MLbuffer
PMMA 495K A4MicroChemicalsPMMA 495K A4Photoresist for assisting graphene transferring
Polydimethylsiloxane (PDMS)Sigma AldrichSylgard 184sample delivery well
Renishaw InVia Raman MicroscopeRenishawgraphene characterization
Sodium Hydroxide (NaOH)Sigma Aldrich221465-25Gfunctionalization
Suss Microtech MA6 Mask AlignerSuss MicroTecphotolithography
Thermo Scientific Cimarec HotplateThermo ScientificSP131635sample and device Baking

Referenzen

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