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  • Resumen
  • Introducción
  • Protocolo
  • Resultados
  • Discusión
  • Divulgaciones
  • Agradecimientos
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

El presente protocolo demuestra el desarrollo del biosensor de transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos (EGGFET) y su aplicación en la detección de biomarcadores de inmunoglobulina G (IgG).

Resumen

En el estudio actual, el grafeno y sus derivados se han investigado y utilizado para muchas aplicaciones, incluida la electrónica, la detección, el almacenamiento de energía y la fotocatálisis. La síntesis y fabricación de grafeno de alta calidad, buena uniformidad y bajos defectos son fundamentales para dispositivos de alto rendimiento y alta sensibilidad. Entre muchos métodos de síntesis, la deposición química de vapor (CVD), considerada un enfoque líder para la fabricación de grafeno, puede controlar el número de capas de grafeno y producir grafeno de alta calidad. El grafeno CVD debe transferirse de los sustratos metálicos en los que se cultiva a sustratos aislantes para aplicaciones prácticas. Sin embargo, la separación y transferencia de grafeno a nuevos sustratos es un desafío para una capa uniforme sin dañar o afectar las estructuras y propiedades del grafeno. Además, el transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos (EGGFET) se ha demostrado por sus amplias aplicaciones en diversas detecciones biomoleculares debido a su alta sensibilidad y configuración estándar del dispositivo. En este artículo, se demuestra el enfoque de transferencia de grafeno asistido por poli (metacrilato de metilo) (PMMA), la fabricación de transistor de efecto de campo de grafeno (GFET) y la detección de biomarcadores de inmunoglobulina G (IgG). Se aplicaron espectroscopía Raman y microscopía de fuerza atómica para caracterizar el grafeno transferido. Se ha demostrado que el método es un enfoque práctico para transferir grafeno limpio y libre de residuos, preservando al mismo tiempo la red de grafeno subyacente en un sustrato aislante para aplicaciones electrónicas o de biodetección.

Introducción

El grafeno y sus derivados se han investigado y utilizado para muchas aplicaciones, incluida la electrónica 1,2, la detección 3,4,5, el almacenamiento de energía 6,7 y la fotocatálisis 1,6,8. La síntesis y fabricación de grafeno de alta calidad, buena uniformidad y bajos defectos son fundamentales para dispositivos de alto rendimiento y alta sensibilidad. Desde el desarrollo de la deposición química de vapor (ECV) en 2009, ha demostrado una promesa colosal y se ha establecido como un miembro esencial de la familia del grafeno 9,10,11,12,13. Se cultiva sobre un sustrato metálico y, posteriormente para usos prácticos, se transfiere a sustratos aislantes14. Recientemente se han utilizado varios métodos de transferencia para transferir grafeno CVD. El método asistido por poli (metacrilato de metilo) (PMMA) es el más utilizado entre las diferentes técnicas. Este método es particularmente adecuado para uso industrial debido a su capacidad a gran escala, menor costo y alta calidad del grafeno transferido14,15. El aspecto crítico de este método es deshacerse del residuo de PMMA para las aplicaciones del grafeno CVD porque los residuos pueden causar la declinación de las propiedades electrónicas del grafeno 14,15,16, causar un efecto en la sensibilidad y el rendimiento de los biosensores 17,18 y crear variaciones significativas de dispositivo a dispositivo19.

Los biosensores basados en nanomateriales se han investigado significativamente en las últimas décadas, incluidos los nanocables de silicio (SiNW), los nanotubos de carbono (CNT) y el grafeno20. Debido a su estructura de capa de un solo átomo y propiedades distintivas, el grafeno demuestra características electrónicas superiores, buena biocompatibilidad y funcionalización fácil, lo que lo convierte en un material atractivo para el desarrollo de biosensores 14,21,22,23. Debido a las características de los transistores de efecto de campo (FET), como la alta sensibilidad, la configuración estándar y la producibilidad en masa rentable21,24, FET es más preferido en implementaciones portátiles y de punto de atención que otros dispositivos de biodetección basados en electrónica. Los biosensores de efecto de campo de grafeno activados por electrolitos (EGGFET) son ejemplos de losFETs 21,24 declarados. EGGFET puede detectar varios analitos dirigidos como ácidos nucleicos25, proteínas 24,26, metabolitos27 y otros analitos biológicamente relevantes28. La técnica mencionada aquí garantiza la implementación de grafeno CVD en un dispositivo de nanoelectrónica de biodetección sin etiquetas que ofrece una mayor sensibilidad y una detección precisa del tiempo sobre otros dispositivos de biodetección29.

En este trabajo, se demuestra un proceso general para desarrollar un biosensor EGGFET y funcionalizarlo para la detección de biomarcadores, incluida la transferencia de grafeno CVD a un sustrato aislante, Caracterizaciones Raman y AFM del grafeno transferido. Además, la fabricación de EGGFET y la integración con un pozo de entrega de muestra de polidimetilsiloxano (PDMS), la funcionalización de biorreceptores y la detección exitosa de inmunoglobulina G humana (IgG) a partir del suero mediante experimentos de espiga y recuperación también se discuten aquí.

Protocolo

1. Transferencia de la deposición química de vapor de grafeno

  1. Cortar la lámina de grafeno sobre un sustrato de cobre por la mitad (2,5 cm x 5 cm) con tijeras. Aplique cinta resistente al calor para fijar las cuatro esquinas del cuadrado de grafeno en una junta giratoria (consulte la Tabla de materiales).
    NOTA: El grafeno comprado tiene una dimensión de 5 cm x 5 cm (ver Tabla de Materiales).
  2. Recubre la lámina del grafeno con una capa delgada (100-200 nm) de PMMA 495K A4 girando a 500 rpm durante 10 s y luego a 2000 rpm durante 50 s. A continuación, hornea la muestra a 150 °C durante 5 min.
  3. Retire la parte posterior del grafeno con plasma de oxígeno (ver Tabla de Materiales) a 30 W, 15 sccm durante 5 min.
  4. Corte el cuadrado de grafeno tratado con plasma en dimensiones más pequeñas (1 cm x 2 cm) para la fabricación del dispositivo.
  5. Cortar el sustrato prelimpiado (SiO2) en trozos pequeños con una dimensión aproximada de 2,5 cm x 2 cm.
  6. Graba el cobre usando el etchant comercial de grafeno (cloruro férrico) (ver Tabla de Materiales). No diluya el grabado. Flote la muestra con el lado de cobre hacia abajo y el lado de PMMA hacia arriba en el grabado líquido.
  7. Después del grabado de cobre, levante la película de grafeno lentamente con el sustrato tratado con plasma.
  8. Seque al aire el grafeno transferido durante 2 h y luego hornee a 80 ° C durante 15 min.
  9. Elimine el PMMA siguiendo los pasos a continuación.
    1. Calentar la muestra con vapor de acetona a 70 °C. Mantenga la muestra a ~ 2 cm por encima del vapor de acetona durante 4 minutos con el lado de PMMA hacia abajo. A continuación, sumergir la muestra en acetona durante 5 min.
    2. Lave la muestra con agua DI con precaución y observe el grafeno transferido bajo un microscopio. Finalmente, sople suavemente la muestra con N2.
    3. Realizar observación de microscopía de fuerza atómica (AFM) para garantizar que el grafeno esté libre de residuos de PMMA. Si el residuo de PMMA es visible en la imagen, realice la limpieza e inmersión de vapor de acetona una vez más.
  10. Realizar caracterización Raman y AFM para confirmar la monocapa de transferencia de grafeno y observar las propiedades superficiales (Figura 1A,B).

2. Fabricación del transistor de efecto de campo de grafeno (GFET)

  1. Lave el sustrato con el grafeno transferido con acetona, IPA y agua DI; luego hornee el sustrato en una placa caliente a 75 °C durante 30 min (Figura 2A).
  2. Utilizando el evaporador de haz E30 (ver Tabla de Materiales), deposite níquel de 5 nm y oro de 45 nm en la muestra de grafeno (Figura 2B).
  3. Aplicar el primer proceso de fotolitografía30 utilizando la máscara A (Figura Suplementaria 1) para el patronaje de los electrodos (Figura 2C).
  4. Girar una fotorresistente positiva (AZ 5214E, ver Tabla de Materiales) sobre la muestra (2000 rpm para 45 s) y curar la muestra a 120 °C durante 1 min.
  5. Coloque la muestra en el sistema de exposición a inundaciones UV y expóngala durante ~10 s por debajo de 200 mJ/cm2.
  6. Desarrolle la muestra con un revelador fotorresistente (AZ300 MIF, consulte la Tabla de materiales) durante ~ 2 min, y luego enjuague con agua DI.
  7. Sumergir la muestra en un grabado de oro para grabar la capa de oro durante 10 s; enjuague con agua DI y retire la capa fotorresistente restante sumergiéndola en acetona durante 10 min (Figura 2C).
  8. Usando acetona, IPA y agua DI, lave la muestra; hornear en una placa caliente a 75 °C durante 30 min. Luego aplique el segundo proceso de fotolitografía usando la máscara B (Figura suplementaria 1) para modelar los canales de grafeno.
    NOTA: Utilice los mismos parámetros de proceso que el primero (paso 2.4-2.6), excepto el sistema de exposición UV en el alineador de máscaras (Figura 2D).
  9. Sumergir la muestra en níquel etchant a 60 °C para grabar la capa de níquel durante 10 s; enjuague con agua DI; secado por soplado usando N2 (Figura 2D).
  10. Coloque la muestra en el plasma y retire el grafeno expuesto utilizando plasma de oxígeno (100 W durante 90 s con flujo de oxígeno a 49 sccm); después de eso, retire la capa fotorresistente sumergiéndola en acetona durante 10 minutos (Figura 2E).
  11. Lave la muestra con acetona, IPA y agua DI; hornear en una placa caliente a 75 °C durante 30 min y aplicar el tercer proceso de fotolitografía utilizando la máscara C (Figura suplementaria 1) para el modelado de la capa fotorresistente de pasivación para proteger el grafeno subyacente en el sustrato. Utilice los mismos parámetros de proceso que el primero (paso 2.4-2.6), excepto el sistema de exposición a los rayos UV en el alineador de máscaras (Figura 2F).
  12. Después del tercer proceso de fotolitografía, sumerja la muestra en níquel grabado a 60 °C durante 10 s para eliminar la capa de níquel restante; luego enjuague con agua DI y seque con N2 (Figura 2G). Finalmente, hornee la muestra en una placa caliente a 120 °C durante 30 min (Figura 2H).

3. Funcionalización de GFET para la detección de IgG

  1. Ensamble el canal de entrega de muestras.
    1. Fabricación del canal muestra-entrega en PDMS utilizando técnicas de litografía blanda31.
    2. Sumergir el dispositivo de grafeno en 0,1 M de solución de NaOH durante 30 s; enjuague con agua DI y deje una capa de agua delgada en la superficie del dispositivo para ayudar a la alineación y unión del pozo PDMS. Luego active la superficie del pozo PDMS usando plasma de oxígeno.
    3. Alinear el canal de entrega de muestras y el dispositivo de grafeno bajo un microscopio; coloque el dispositivo alineado en un horno de 60 °C durante 3 h para permitir la unión. El dispositivo ensamblado se muestra en la Figura 3A.
  2. Funcionalizar el GFET.
    1. Funcionalizar la superficie de grafeno con aptámero IgG (ver Tabla de Materiales). Use pipetas para cargar y quitar cada reactivo o búfer del pozo PDMS. El proceso esquemático se muestra en la Figura 4.
      NOTA: Los siguientes pasos se operaron a temperatura ambiente.
    2. Después de enjuagar la superficie de grafeno con DMSO tres veces, aplique 1-pireno ácido butírico N-hidroxisuccinimida éster (PBASE, 10 mM disuelto en DMSO, ver Tabla de Materiales) y mantener durante 2 h.
    3. Después de enjuagar con DMSO, aplique el aptámero IgG 5'amino-modificado (20 μM en 1x PBS), incube durante 3 h y enjuague con 1x PBS tres veces.
    4. Aplique albúmina sérica bovina (BSA, 10% p/v en 1x PBS) sobre grafeno durante 1 h y enjuague con 1x PBS tres veces.

4. Detección de IgG

  1. Enjuague el dispositivo con 0.01x PBS tres veces. Llene bien el PDMS con PBS 0.01x (búfer de detección) (Figura 3A, B).
  2. Conecte los electrodos con un analizador de parámetros de alto rendimiento (consulte la Tabla de materiales). Conecte el electrodo de la fuente a la tierra, el drenaje y los electrodos de compuerta a las unidades de medida de la fuente (SMU 1 y SMU 2) equipadas con el analizador de parámetros, respectivamente (Figura 3C).
  3. Configure los parámetros de medición y active el proceso de muestreo.
  4. Pruebe la respuesta del EGGFET a igG monitoreando continuamente la corriente de drenaje. Disuelva IgG en PBS 0.01x con diferentes concentraciones, agregue la solución a la cámara de detección y controle la corriente de drenaje continuamente. Guarde los datos.

Resultados

Los resultados representativos muestran el grafeno CVD transferido caracterizado por Raman y AFM, respectivamente. El pico G y los picos 2D de la imagen Raman proporcionan información completa sobre la existencia y la calidad del grafeno monocapa transferido32 (Figura 1). Se aplicaron procesos de litografía estándar 30,31 para la fabricación del dispositivo GFET, como se muestra en la Figura 2.

Discusión

El grafeno CVD comprado en la película de cobre debe recortarse al tamaño correcto para los siguientes pasos de fabricación. El corte de las películas puede causar arrugas, lo que debe prevenirse. Los parámetros proporcionados en la etapa de fabricación se pueden consultar para el grabado en plasma de grafeno, y estos números pueden variar cuando se utilizan diferentes instrumentos. La muestra grabada debe ser monitoreada e inspeccionada de cerca para garantizar un grabado completo de grafeno. Se pueden aplicar m?...

Divulgaciones

Los autores no tienen intereses en conflicto o intereses en conflicto que revelar.

Agradecimientos

Los experimentos se llevaron a cabo en la Universidad de Virginia Occidental. Reconocemos las Instalaciones de Investigación Compartidas de la Universidad de Virginia Occidental para la fabricación de dispositivos y la caracterización de materiales. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos bajo la Subvención No. NSF1916894.

Materiales

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

Referencias

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