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Dans cet article

  • Résumé
  • Résumé
  • Introduction
  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

Le présent protocole démontre le développement d’un biocapteur à transistor à effet de champ en graphène dépendant des électrolytes (EGGFET) et son application dans la détection des immunoglobulines G (IgG) des biomarqueurs.

Résumé

Dans la présente étude, le graphène et ses dérivés ont été étudiés et utilisés pour de nombreuses applications, notamment l’électronique, la détection, le stockage d’énergie et la photocatalyse. La synthèse et la fabrication de graphène de haute qualité, d’une bonne uniformité et de faibles défauts sont essentielles pour les appareils haute performance et très sensibles. Parmi les nombreuses méthodes de synthèse, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), considéré comme une approche de premier plan pour la fabrication du graphène, peut contrôler le nombre de couches de graphène et produire du graphène de haute qualité. Le graphène CVD doit être transféré des substrats métalliques sur lesquels il est cultivé sur des substrats isolants pour des applications pratiques. Cependant, la séparation et le transfert du graphène sur de nouveaux substrats sont difficiles pour une couche uniforme sans endommager ou affecter les structures et les propriétés du graphène. De plus, le transistor à effet de champ en graphène dépendant de l’électrolyte (EGGFET) a été démontré pour ses vastes applications dans diverses détections biomoléculaires en raison de sa sensibilité élevée et de sa configuration de dispositif standard. Dans cet article, l’approche de transfert de graphène assistée par poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA), la fabrication d’un transistor à effet de champ de graphène (GFET) et la détection d’immunoglobuline g (IgG) de biomarqueurs sont démontrées. La spectroscopie Raman et la microscopie à force atomique ont été appliquées pour caractériser le graphène transféré. La méthode s’est avérée être une approche pratique pour transférer du graphène propre et sans résidus tout en préservant le réseau de graphène sous-jacent sur un substrat isolant pour des applications électroniques ou de biodétection.

Introduction

Le graphène et ses dérivés ont été étudiés et utilisés pour de nombreuses applications, notamment l’électronique 1,2, la détection 3,4,5, le stockage d’énergie 6,7 et la photocatalyse 1,6,8. La synthèse et la fabrication de graphène de haute qualité, d’une bonne uniformité et de faibles défauts sont essentielles pour les appareils haute performance et très sensibles. Depuis le développement du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en 2009, il s’est montré extrêmement prometteur et a établi sa place en tant que membre essentiel de la famille du graphène 9,10,11,12,13. Il est cultivé sur un substrat métallique et, plus tard pour des utilisations pratiques, est transféré sur des substrats isolants14. Plusieurs méthodes de transfert ont été utilisées récemment pour transférer le graphène CVD. La méthode assistée par poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) est la plus utilisée parmi les différentes techniques. Cette méthode est particulièrement bien adaptée à une utilisation industrielle en raison de sa capacité à grande échelle, de son coût inférieur et de la haute qualité du graphène14,15 transféré. L’aspect critique de cette méthode est de se débarrasser du résidu de PMMA pour les applications du graphène CVD, car les résidus peuvent provoquer une déclinaison des propriétés électroniques du graphène 14,15,16, avoir un effet sur la sensibilité et les performances des biocapteurs17,18 et créer des variations significatives d’un dispositif àl’autre 19.

Les biocapteurs à base de nanomatériaux ont été considérablement étudiés au cours des dernières décennies, notamment les nanofils de silicium (SiNW), les nanotubes de carbone (CNT) et le graphène20. En raison de sa structure en couche mono-atome et de ses propriétés distinctives, le graphène présente des caractéristiques électroniques supérieures, une bonne biocompatibilité et une fonctionnalisation facile, ce qui en fait un matériau attrayant pour le développement de biocapteurs 14,21,22,23. En raison des caractéristiques des transistors à effet de champ (FET) telles que la sensibilité élevée, la configuration standard et la productibilité de masse rentable21,24, le FET est plus préféré dans les implémentations portables et au point de service que d’autres dispositifs de biodétection électroniques. Les biocapteurs à transistor à effet de champ en graphène dépendant de l’électrolyte (EGGFET) sont des exemples des FET21,24 déclarés. EGGFET peut détecter divers analytes de ciblage tels que les acides nucléiques25, les protéines24,26, les métabolites27 et d’autres analytes biologiquement pertinents28. La technique mentionnée ici assure la mise en œuvre du graphène CVD dans un dispositif nanoélectronique de biodétection sans étiquette qui offre une sensibilité plus élevée et une détection précise du temps par rapport à d’autres dispositifs de biodétection29.

Dans ce travail, un processus global de développement d’un biocapteur EGGFET et de fonctionnalisation pour la détection de biomarqueurs, y compris le transfert de graphène CVD sur un substrat isolant, Raman et les caractérisations AFM du graphène transféré, sont démontrés. En outre, la fabrication d’EGGFET et l’intégration avec un puits d’administration d’échantillon de polydiméthylsiloxane (PDMS), la fonctionnalisation des biorécepteurs et la détection réussie de l’immunoglobuline G humaine (IgG) à partir du sérum par des expériences de pointe et de récupération sont également discutées ici.

Protocole

1. Transfert du dépôt chimique en phase vapeur de graphène

  1. Couper la feuille de graphène sur un substrat de cuivre en deux (2,5 cm x 5 cm) à l’aide de ciseaux. Appliquez du ruban résistant à la chaleur pour fixer les quatre coins du carré de graphène sur un joint de filature (voir Tableau des matériaux).
    REMARQUE: Le graphène acheté a une dimension de 5 cm x 5 cm (voir tableau des matériaux).
  2. Spin-coat la feuille de graphène avec une fine couche (100-200 nm) de PMMA 495K A4 tournant à 500 tr/min pendant 10 s puis 2000 tr/min pendant 50 s. Cuire ensuite l’échantillon à 150 °C pendant 5 min.
  3. Retirer l’arrière du graphène avec du plasma d’oxygène (voir Tableau des matériaux) à 30 W, 15 sccm pendant 5 min.
  4. Découpez le carré de graphène traité au plasma en dimensions plus petites (1 cm x 2 cm) pour la fabrication de l’appareil.
  5. Couper le substrat pré-nettoyé (SiO2) en petits morceaux d’une dimension approximative de 2,5 cm x 2 cm.
  6. Gravez le cuivre à l’aide de l’étchant commercial au graphène (chlorure ferrique) (voir tableau des matériaux). Ne pas diluer l’eau-forte. Faites flotter l’échantillon avec le côté cuivre vers le bas et le côté PMMA vers le haut sur l’etchant liquide.
  7. Après la gravure sur cuivre, soulevez lentement le film de graphène à l’aide du substrat traité au plasma.
  8. Sécher à l’air libre le graphène transféré pendant 2 h, puis cuire au four à 80 °C pendant 15 min.
  9. Retirez le PMMA en suivant les étapes ci-dessous.
    1. Réchauffez l’échantillon avec de la vapeur d’acétone à 70 °C. Gardez l’échantillon à ~2 cm au-dessus de la vapeur d’acétone pendant 4 min avec le côté PMMA vers le bas. Ensuite, immergez l’échantillon dans de l’acétone pendant 5 min.
    2. Lavez l’échantillon avec de l’eau DI avec prudence et observez le graphène transféré au microscope. Enfin, séchez doucement l’échantillon avec N2.
    3. Effectuer une observation par microscopie à force atomique (AFM) pour s’assurer que le graphène sans résidus de PMMA. Si un résidu de PMMA est visible sur l’image, effectuez à nouveau le nettoyage et l’immersion à la vapeur d’acétone.
  10. Effectuer la caractérisation Raman et AFM pour confirmer le transfert de la monocouche de graphène et observer les propriétés de surface (Figure 1A,B).

2. Fabrication du transistor à effet de champ en graphène (GFET)

  1. Laver le substrat avec le graphène transféré à l’aide d’acétone, d’IPA et d’eau DI; puis cuire le substrat sur une plaque chauffante à 75 °C pendant 30 min (Figure 2A).
  2. À l’aide de l’évaporateur à faisceau E30 (voir tableau des matériaux), déposez 5 nm de nickel et 45 nm d’or sur l’échantillon de graphène (figure 2B).
  3. Appliquer le premier procédé de photolithographie30 à l’aide du masque A (figure supplémentaire 1) pour la modelation des électrodes (figure 2C).
  4. Faire tourner une résine photosensible positive (AZ 5214E, voir Tableau des matériaux) sur l’échantillon (2000 tr/min pendant 45 s) et durcir l’échantillon à 120 °C pendant 1 min.
  5. Placez l’échantillon dans le système d’exposition aux inondations UV et exposez-le pendant environ 10 s sous 200 mJ/cm2.
  6. Développez l’échantillon avec un révélateur de résine photosensible (AZ300 MIF, voir Tableau des matériaux) pendant environ 2 min, puis rincez à l’eau DI.
  7. Immerger l’échantillon dans un etchant d’or pour graver la couche d’or pendant 10 s; rincer à l’eau DI et retirer la couche de résine photosensible restante en plongeant dans de l’acétone pendant 10 min (Figure 2C).
  8. À l’aide d’acétone, d’IPA et d’eau DI, laver l’échantillon; cuire sur une plaque chauffante à 75 °C pendant 30 min. Appliquez ensuite le deuxième procédé de photolithographie à l’aide du masque B (figure supplémentaire 1) pour modeler les canaux de graphène.
    REMARQUE: Utilisez les mêmes paramètres de processus que le premier (étape 2.4-2.6), à l’exception du système d’exposition aux UV dans l’aligneur de masque (Figure 2D).
  9. Immerger l’échantillon dans un échancrure de nickel à 60 °C pour graver la couche de nickel pendant 10 s; rincer à l’eau DI; sécher à l’aide de N2 (Figure 2D).
  10. Placer l’échantillon dans le plasma et retirer le graphène exposé à l’aide de plasma d’oxygène (100 W pendant 90 s avec un débit d’oxygène à 49 sccm); après cela, retirez la couche de résine photosensible en plongeant dans de l’acétone pendant 10 minutes (Figure 2E).
  11. Laver l’échantillon à l’aide d’acétone, d’IPA et d’eau DI; cuire sur une plaque chauffante à 75 °C pendant 30 min et appliquer le troisième procédé de photolithographie à l’aide du masque C (figure supplémentaire 1) pour la modelement de la couche de résine photosensible de passivation afin de protéger le graphène sous-jacent sur le substrat. Utilisez les mêmes paramètres de processus que le premier (étapes 2.4-2.6), à l’exception du système d’exposition aux UV dans l’aligneur de masque (Figure 2F).
  12. Après le troisième processus de photolithographie, immerger l’échantillon dans un écreuant de nickel à 60 °C pendant 10 s pour éliminer la couche de nickel restante; puis rincer à l’eau DI et sécher à l’aide de N2 (Figure 2G). Enfin, cuire l’échantillon sur une plaque chauffante à 120 °C pendant 30 min (Figure 2H).

3. Fonctionnalisation de GFET pour la détection des IgG

  1. Assemblez le canal de distribution de l’échantillon.
    1. Fabriquer le canal de distribution d’échantillons dans PDMS à l’aide de techniques de lithographie douce31.
    2. Immerger le dispositif de graphène dans 0,1 M de solution de NaOH pendant 30 s; rincer à l’eau DI et laisser une fine couche d’eau sur la surface de l’appareil pour faciliter l’alignement et le collage du puits PDMS. Activez ensuite la surface du puits PDMS à l’aide de plasma d’oxygène.
    3. Aligner le canal de distribution de l’échantillon et le dispositif de graphène sous un microscope; placer le dispositif aligné dans un four à 60 °C pendant 3 h pour permettre le collage. Le périphérique assemblé est illustré à la figure 3A.
  2. Fonctionnaliser le GFET.
    1. Fonctionnaliser la surface du graphène avec de l’aptamère IgG (voir Tableau des matériaux). Utilisez des pipettes pour charger et retirer chaque réactif ou tampon du puits PDMS. Le processus schématique est illustré à la figure 4.
      REMARQUE: Les étapes suivantes ont été effectuées à température ambiante.
    2. Après avoir rincé la surface du graphène avec du DMSO trois fois, appliquer l’ester N-hydroxysuccinimide de l’acide butyrique 1-pyrène (PBASE, 10 mM dissous dans le DMSO, voir Tableau des matériaux) et conserver pendant 2 h.
    3. Après rinçage avec du DMSO, appliquer l’aptamère IgG 5'amino-modifié (20 μM dans 1x PBS), incuber pendant 3 h et rincer avec 1x PBS trois fois.
    4. Appliquer l’albumine sérique bovine (BSA, 10% p/v dans 1x PBS) sur le graphène pendant 1 h et rincer avec 1x PBS trois fois.

4. Détection des IgG

  1. Rincez l’appareil avec 0,01x PBS trois fois. Remplissez bien le PDMS avec 0,01x PBS (tampon de détection) (Figure 3A,B).
  2. Connectez les électrodes à l’aide d’un analyseur de paramètres haute performance (voir Tableau des matériaux). Connectez l’électrode source à la terre, au drain et aux électrodes de grille aux unités de mesure de source (SMU 1 et SMU 2) équipées respectivement de l’analyseur de paramètres (Figure 3C).
  3. Configurez les paramètres de mesure et activez le processus d’échantillonnage.
  4. Testez la réponse de l’EGGFET aux IgG en surveillant en permanence le courant de vidange. Dissoudre les IgG dans 0,01x PBS avec différentes concentrations, ajouter la solution dans la chambre de détection et surveiller le courant de drainage en continu. Enregistrez les données.

Résultats

Les résultats représentatifs montrent le graphène CVD transféré caractérisé par Raman et AFM, respectivement. Le pic G et les pics 2D de l’image Raman donnent des informations complètes sur l’existence et la qualité du graphènemonocouche transféré 32 (Figure 1). Des procédés de lithographie standard30,31 ont été appliqués pour la fabrication du dispositif GFET, comme le montre

Discussion

Le graphène CVD acheté sur film de cuivre doit être coupé à la bonne taille pour les étapes de fabrication suivantes. La coupe des films peut provoquer des rides, ce qui doit être évité. Les paramètres fournis à l’étape de fabrication peuvent être référencés pour la gravure au plasma du graphène, et ces nombres peuvent être modifiés lors de l’utilisation de différents instruments. L’échantillon gravé doit être étroitement surveillé et inspecté pour assurer une gravure complète au graphèn...

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont pas d’intérêts concurrents ou d’intérêts conflictuels à divulguer.

Remerciements

Les expériences ont été menées à l’Université de Virginie-Occidentale. Nous reconnaissons les installations de recherche partagées de l’Université de Virginie-Occidentale pour la fabrication de dispositifs et la caractérisation des matériaux. Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation des États-Unis dans le cadre de la subvention No. NSF1916894.

matériels

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

Références

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