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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Il presente protocollo dimostra lo sviluppo del biosensore EGGFET (Electrolyte-gated Graphene Field-Effect Transistor) e la sua applicazione nel rilevamento di immunoglobuline G (IgG) biomarcatori.

Abstract

Nel presente studio, il grafene e i suoi derivati sono stati studiati e utilizzati per molte applicazioni, tra cui elettronica, rilevamento, accumulo di energia e fotocatalisi. La sintesi e la fabbricazione di alta qualità, buona uniformità e bassi difetti il grafene sono fondamentali per dispositivi ad alte prestazioni e altamente sensibili. Tra i molti metodi di sintesi, la deposizione chimica da vapore (CVD), considerata un approccio leader per la produzione di grafene, può controllare il numero di strati di grafene e produrre grafene di alta qualità. Il grafene CVD deve essere trasferito dai substrati metallici su cui viene coltivato su substrati isolanti per applicazioni pratiche. Tuttavia, la separazione e il trasferimento del grafene su nuovi substrati sono difficili per uno strato uniforme senza danneggiare o influenzare le strutture e le proprietà del grafene. Inoltre, il transistor a effetto di campo in grafene elettrolitico -gated (EGGFET) è stato dimostrato per le sue ampie applicazioni in varie rilevazioni biomolecolari a causa della sua elevata sensibilità e configurazione standard del dispositivo. In questo articolo, vengono dimostrati l'approccio di trasferimento del grafene assistito da poli (metilmetacrilato) (PMMA), la fabbricazione del transistor a effetto di campo del grafene (GFET) e il rilevamento di immunoglobuline G (IgG) biomarcatori. La spettroscopia Raman e la microscopia a forza atomica sono state applicate per caratterizzare il grafene trasferito. Il metodo si è dimostrato essere un approccio pratico per trasferire grafene pulito e privo di residui preservando il reticolo di grafene sottostante su un substrato isolante per applicazioni elettroniche o di biorilevamento.

Introduzione

Il grafene e i suoi derivati sono stati studiati e utilizzati per molte applicazioni, tra cui l'elettronica 1,2, il rilevamento 3,4,5, l'accumulo di energia 6,7 e la fotocatalisi 1,6,8. La sintesi e la fabbricazione di alta qualità, buona uniformità e bassi difetti il grafene sono fondamentali per dispositivi ad alte prestazioni e altamente sensibili. Dallo sviluppo della deposizione chimica da vapore (CVD) nel 2009, ha mostrato una promessa colossale e ha posto il suo posto come membro essenziale della famiglia del grafene 9,10,11,12,13. Viene coltivato su un substrato metallico e, successivamente per usi pratici, viene trasferito su substrati isolanti14. Diversi metodi di trasferimento sono stati utilizzati per trasferire il grafene CVD di recente. Il metodo poli (metilmetacrilato) (PMMA) assistito è il più utilizzato tra le diverse tecniche. Questo metodo è particolarmente adatto per l'uso industriale a causa della sua capacità su larga scala, del costo inferiore e dell'alta qualità del grafene trasferito14,15. L'aspetto critico di questo metodo è l'eliminazione del residuo di PMMA per le applicazioni del grafene CVD perché i residui possono causare la declinazione delle proprietà elettroniche del grafene 14,15,16, causare un effetto sulla sensibilità e sulle prestazioni dei biosensori 17,18 e creare variazioni significative da dispositivo a dispositivo19.

I biosensori basati su nanomateriali sono stati significativamente studiati negli ultimi decenni, tra cui nanofili di silicio (SiNW), nanotubi di carbonio (CNT) e grafene20. A causa della sua struttura a strato di singolo atomo e delle sue proprietà distintive, il grafene dimostra caratteristiche elettroniche superiori, una buona biocompatibilità e una facile funzionalizzazione, rendendolo un materiale attraente per lo sviluppo di biosensori 14,21,22,23. A causa delle caratteristiche dei transistor ad effetto di campo (FET) come alta sensibilità, configurazione standard e producibilità di massaeconomica 21,24, il FET è più preferito nelle implementazioni portatili e point-of-care rispetto ad altri dispositivi di biorilevamento basati sull'elettronica. I biosensori a transistor a effetto di campo del grafene elettrolitico-gated (EGGFET) sono esempi dei FETdichiarati 21,24. EGGFET è in grado di rilevare vari analiti bersaglio come gli acidi nucleici25, le proteine 24,26, i metaboliti27 e altri analiti biologicamente rilevanti28. La tecnica qui menzionata garantisce l'implementazione del grafene CVD in un dispositivo nanoelettronico di biorilevamento privo di etichette che offre una maggiore sensibilità e un rilevamento accurato del tempo rispetto ad altri dispositivi di biorilevamento29.

In questo lavoro, viene dimostrato un processo complessivo per lo sviluppo di un biosensore EGGFET e la sua funzionalizzazione per il rilevamento di biomarcatori, incluso il trasferimento di grafene CVD su un substrato isolante, raman e caratterizzazioni AFM del grafene trasferito. Inoltre, la fabbricazione di EGGFET e l'integrazione con un pozzo di consegna del campione di polidimetilsilossano (PDMS), la funzionalizzazione del biorecettore e il rilevamento di successo dell'immunoglobulina G umana (IgG) dal siero mediante esperimenti spike-and-recovery sono anche discussi qui.

Protocollo

1. Trasferimento della deposizione chimica da vapore del grafene

  1. Tagliare il foglio di grafene su un substrato di rame a metà (2,5 cm x 5 cm) usando le forbici. Applicare del nastro termoresistente per fissare i quattro angoli del quadrato di grafene su una guarnizione di spinner (vedere Tabella dei materiali).
    NOTA: Il grafene acquistato ha una dimensione di 5 cm x 5 cm (vedi Tabella dei materiali).
  2. Spin-coat il foglio del grafene con uno strato sottile (100-200 nm) di PMMA 495K A4 che gira a 500 rpm per 10 s e poi 2000 rpm per 50 s. Quindi cuocere il campione a 150 °C per 5 minuti.
  3. Rimuovere il retro del grafene con plasma di ossigeno (vedi Tabella dei materiali) a 30 W, 15 sccm per 5 min.
  4. Tagliare il quadrato di grafene trattato al plasma in dimensioni più piccole (1 cm x 2 cm) per la fabbricazione del dispositivo.
  5. Tagliare il substrato pre-pulito (SiO2) in piccoli pezzi con una dimensione approssimativa di 2,5 cm x 2 cm.
  6. Incidere il rame usando l'etchant commerciale al grafene (cloruro ferrico) (vedi Tabella dei materiali). Non diluire l'etchant. Far galleggiare il campione con il lato in rame verso il basso e il lato pmMA verso l'alto sull'etchant liquido.
  7. Dopo l'incisione del rame, sollevare lentamente il film di grafene utilizzando il substrato trattato al plasma.
  8. Asciugare all'aria il grafene trasferito per 2 ore e quindi infornare a 80 °C per 15 min.
  9. Rimuovere il PMMA seguendo i passaggi seguenti.
    1. Riscaldare il campione con vapore di acetone a 70 °C. Tenere il campione a ~ 2 cm sopra il vapore di acetone per 4 minuti con il lato PMMA rivolto verso il basso. Quindi immergere il campione in acetone per 5 minuti.
    2. Lavare il campione con acqua DI con cautela e osservare il grafene trasferito al microscopio. Infine, asciugare delicatamente il campione con N2.
    3. Eseguire l'osservazione al microscopio a forza atomica (AFM) per garantire il grafene privo di residui di PMMA. Se l'immagine è visibile un residuo di PMMA, eseguire nuovamente la pulizia e l'immersione del vapore di acetone.
  10. Eseguire la caratterizzazione Raman e AFM per confermare il trasferimento del monostrato di grafene e osservare le proprietà della superficie (Figura 1A,B).

2. Fabbricazione del transistor a effetto di campo di grafene (GFET)

  1. Lavare il substrato con il grafene trasferito usando acetone, IPA e acqua DI; quindi cuocere il substrato su una piastra calda a 75 °C per 30 minuti (Figura 2A).
  2. Utilizzando l'evaporatore E-beam30 (vedi Tabella dei materiali), depositare nichel a 5 nm e oro a 45 nm sul campione di grafene (Figura 2B).
  3. Applicare il primo processo di fotolitografia30 utilizzando la maschera A (Figura supplementare 1) per la modellazione degli elettrodi (Figura 2C).
  4. Ruotare un fotoresist positivo (AZ 5214E, vedi Tabella dei materiali) sul campione (2000 rpm per 45 s) e polimerizzare il campione a 120 °C per 1 min.
  5. Posizionare il campione nel sistema di esposizione alle inondazioni UV ed esporlo per ~ 10 s sotto 200 mJ / cm2.
  6. Sviluppare il campione con uno sviluppatore photoresist (AZ300 MIF, vedere Tabella dei materiali) per ~ 2 minuti, quindi risciacquare con acqua DI.
  7. Immergere il campione in un'acquaforte d'oro per incidere lo strato d'oro per 10 s; risciacquare con acqua DI e rimuovere lo strato di fotoresist rimanente immergendolo nell'acetone per 10 minuti (Figura 2C).
  8. Usando acetone, IPA e acqua DI, lavare il campione; cuocere su piastra calda a 75 °C per 30 min. Quindi applicare il secondo processo di fotolitografia utilizzando la maschera B (Figura supplementare 1) per modellare i canali del grafene.
    NOTA: utilizzare gli stessi parametri di processo del primo (passaggio 2.4-2.6), ad eccezione del sistema di esposizione ai raggi UV nell'allineatore della maschera (Figura 2D).
  9. Immergere il campione in nichel etchant a 60 °C per incidere lo strato di nichel per 10 s; risciacquare con acqua DI; asciugare con N2 (Figura 2D).
  10. Posizionare il campione nell'asher al plasma e rimuovere il grafene esposto utilizzando plasma di ossigeno (100 W per 90 s con flusso di ossigeno a 49 sccm); successivamente, rimuovere lo strato di fotoresist immergendolo nell'acetone per 10 minuti (Figura 2E).
  11. Lavare il campione con acetone, IPA e acqua DI; cuocere su una piastra calda a 75 °C per 30 minuti e applicare il terzo processo di fotolitografia utilizzando la maschera C (Figura supplementare 1) per la modellazione dello strato fotoresistente di passivazione per proteggere il grafene sottostante sul substrato. Utilizzare gli stessi parametri di processo del primo (passaggio 2.4-2.6), ad eccezione del sistema di esposizione ai raggi UV nell'allineatore della maschera (Figura 2F).
  12. Dopo il terzo processo di fotolitografia, immergere il campione in nichel etchant a 60 °C per 10 s per rimuovere lo strato di nichel rimanente; quindi risciacquare con acqua DI e asciugare con N2 (Figura 2G). Infine, cuocere il campione su una piastra elettrica a 120 °C per 30 minuti (Figura 2H).

3. Funzionalizzazione del GFET per il rilevamento di IgG

  1. Assemblare il canale di distribuzione dei campioni.
    1. Fabbricare il canale di consegna del campione in PDMS utilizzando tecniche di litografia morbida31.
    2. Immergere il dispositivo di grafene in 0,1 M di soluzione NaOH per 30 s; risciacquare con acqua DI e lasciare un sottile strato d'acqua sulla superficie del dispositivo per facilitare l'allineamento e l'incollaggio del PDMS. Quindi attivare la superficie del pozzo PDMS utilizzando il plasma di ossigeno.
    3. Allineare il canale di consegna del campione e il dispositivo di grafene al microscopio; posizionare il dispositivo allineato in un forno a 60 °C per 3 ore per consentire l'incollaggio. Il dispositivo assemblato è mostrato nella Figura 3A.
  2. Funzionalizzare il GFET.
    1. Funzionalizzare la superficie del grafene con aptamero IgG (vedi Tabella dei Materiali). Utilizzare pipette per caricare e rimuovere ogni reagente o tampone dal pozzetto PDMS. Il processo schematico è illustrato nella Figura 4.
      NOTA: i seguenti passaggi sono stati eseguiti a temperatura ambiente.
    2. Dopo aver risciacquato la superficie del grafene con DMSO tre volte, applicare l'estere N-idrossisuccinimide dell'acido 1-pirene butirrico (PBASE, 10 mM disciolto in DMSO, vedere Tabella dei materiali) e conservare per 2 ore.
    3. Dopo il risciacquo con DMSO, applicare l'aptamero IgG 5'amino-modificato (20 μM in 1x PBS), incubare per 3 ore e risciacquare con 1x PBS tre volte.
    4. Applicare l'albumina sierica bovina (BSA, 10% p/v in 1x PBS) sul grafene per 1 ora e risciacquare con 1x PBS tre volte.

4. Rilevamento IgG

  1. Risciacquare il dispositivo con 0,01x PBS tre volte. Riempire bene il PDMS con 0,01x PBS (buffer di rilevamento) (Figura 3A,B).
  2. Collegare gli elettrodi con un analizzatore di parametri ad alte prestazioni (vedere Tabella dei materiali). Collegare l'elettrodo sorgente a terra, lo scarico e gli elettrodi gate alle unità di misura sorgente (SMU 1 e SMU 2) dotate rispettivamente dell'analizzatore di parametri (Figura 3C).
  3. Impostare i parametri di misurazione e attivare il processo di campionamento.
  4. Testare la risposta dell'EGGFET alle IgG monitorando continuamente la corrente di scarico. Sciogliere le IgG in PBS 0,01x con concentrazioni diverse, aggiungere la soluzione nella camera di rilevamento e monitorare continuamente la corrente di scarico. Salvare i dati.

Risultati

I risultati rappresentativi mostrano il grafene CVD trasferito caratterizzato rispettivamente da Raman e AFM. Il picco G e i picchi 2D dell'immagine Raman forniscono informazioni complete sull'esistenza e la qualità del grafenemonostrato 32 trasferito (Figura 1). Processi litografici standard 30,31 sono stati applicati per fabbricare il dispositivo GFET, come mostrato nella Figura 2

Discussione

Il grafene CVD acquistato su film di rame deve essere tagliato alla giusta dimensione per le seguenti fasi di fabbricazione. Il taglio dei film può causare rughe, che devono essere prevenute. I parametri forniti nella fase di fabbricazione possono essere indicati per l'incisione al plasma del grafene e questi numeri potrebbero essere variati quando si utilizzano strumenti diversi. Il campione inciso deve essere attentamente monitorato e ispezionato per garantire un'incisione completa al grafene. È possibile applicare p...

Divulgazioni

Gli autori non hanno interessi concorrenti o interessi contrastanti da divulgare.

Riconoscimenti

Gli esperimenti sono stati condotti presso la West Virginia University. Riconosciamo le strutture di ricerca condivise presso la West Virginia University per la fabbricazione dei dispositivi e la caratterizzazione dei materiali. Questo lavoro è stato sostenuto dalla NATIONAL Science Foundation degli Stati Uniti sotto Grant No. NSF1916894.

Materiali

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

Riferimenti

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