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Resumo

O presente protocolo demonstra o desenvolvimento do biosensor de efeito de campo de grafeno (EGGFET) e sua aplicação na detecção de imunoglobulina G (IgG) biomarcadora.

Resumo

No presente estudo, o grafeno e seus derivados têm sido investigados e usados para muitas aplicações, incluindo eletrônicos, sensoriamento, armazenamento de energia e fotocatálise. Síntese e fabricação de alta qualidade, boa uniformidade e baixo grafeno de defeitos são fundamentais para dispositivos de alto desempenho e altamente sensíveis. Entre muitos métodos de síntese, a deposição de vapor químico (DCV), considerada uma abordagem líder na fabricação do grafeno, pode controlar o número de camadas de grafeno e produzir grafeno de alta qualidade. O grafeno CVD precisa ser transferido dos substratos metálicos nos quais é cultivado em substratos isolantes para aplicações práticas. No entanto, a separação e transferência do grafeno para novos substratos são desafiadoras para uma camada uniforme sem danificar ou afetar as estruturas e propriedades do grafeno. Além disso, o transistor de efeito de campo de grafeno com portão de eletrólito (EGGFET) foi demonstrado por suas amplas aplicações em várias detecções biomoleculares devido à sua alta sensibilidade e configuração padrão do dispositivo. Neste artigo, demonstram-se a abordagem de transferência de grafeno assistido por poli (metil) (PMMA), a fabricação de transistor de efeito de campo de grafeno (GFET) e a detecção de imunoglobulina G (IgG) biomarcadora. A espectroscopia de Raman e a microscopia de força atômica foram aplicadas para caracterizar o grafeno transferido. O método mostra-se uma abordagem prática para transferir grafeno limpo e livre de resíduos, preservando a rede de grafeno subjacente em um substrato isolante para aplicações eletrônicas ou biosensantes.

Introdução

O grafeno e seus derivados têm sido investigados e utilizados para muitas aplicações, incluindo eletrônicos 1,2, detecçãode 3,4,5, armazenamento de energia 6,7 e fotocatálise 1,6,8. Síntese e fabricação de alta qualidade, boa uniformidade e baixo grafeno de defeitos são fundamentais para dispositivos de alto desempenho e altamente sensíveis. Desde o desenvolvimento da Deposição de Vapor Químico (DCV), em 2009, mostrou uma promessa colossal e estabeleceu seu lugar como membro essencial da família grafeno 9,10,11,12,13. É cultivado em um substrato metálico e, posteriormente para usos práticos, é transferido para substratos isolantes14. Vários métodos de transferência têm sido usados para transferir grafeno CVD recentemente. O método assistido poli (metil metil) (PMMA) é o mais utilizado entre as diferentes técnicas. Este método é particularmente adequado para o uso industrial devido à sua capacidade em larga escala, menor custo e alta qualidade do grafeno transferido14,15. O aspecto crítico deste método é livrar-se do resíduo PMMA para aplicações de grafeno DCV, pois os resíduos podem causar a diminuição das propriedades eletrônicas do grafeno 14,15,16, causar um efeito na sensibilidade e desempenho dos biosensores 17,18, e criar variações significativas de dispositivo para dispositivo19.

Biosensores baseados em nanomateriais têm sido significativamente investigados nas últimas décadas, incluindo nanofio de silício (SiNW), nanotubo de carbono (CNT) e grafeno20. Devido à sua estrutura de camada de átomo único e propriedades distintas, o grafeno demonstra características eletrônicas superiores, boa biocompatibilidade e funcionalidade fácil, tornando-se um material atraente para o desenvolvimento de biosensores 14,21,22,23. Devido a características de transistores de efeito de campo (FET), como alta sensibilidade, configuração padrão e produtibilidade de massaeconômica 21,24, o FET é mais preferido em implementações portáteis e point-of-care do que outros dispositivos de biosensibilidade baseados em eletrônicos. Os biosensores de efeito de campo de grafeno com portão de eletrólito (EGGFET) são exemplos dos FETs21,24 indicados. EggFET pode detectar vários analitos de alvo, como ácidos nucleicos25, proteínas 24,26, metabólitos27 e outros analitos biologicamente relevantes28. A técnica aqui mencionada garante a implementação do grafeno CVD em um dispositivo nanoeletrônico biosenso sem rótulos que oferece maior sensibilidade e detecção precisa de tempo sobre outros dispositivos de biosensão29.

Neste trabalho, é demonstrado um processo global para o desenvolvimento de um biosensor EGGFET e funcionalizá-lo para detecção de biomarcadores, incluindo a transferência do grafeno CVD para um substrato isolante, raman e caracterizações AFM do grafeno transferido. Além disso, a fabricação de EGGFET e a integração com um poço de entrega de amostras de polidimtilsiloxano (PDMS), a funcionalização do bioreceptor e a detecção bem sucedida da imunoglobulina humana G (IgG) do soro por experimentos de pico e recuperação também são discutidos aqui.

Protocolo

1. Transferência de deposição de vapor químico do grafeno

  1. Corte a folha de grafeno em um substrato de cobre ao meio (2,5 cm x 5 cm) usando uma tesoura. Aplique fita resistiva de calor para fixar os quatro cantos do quadrado de grafeno em uma junta giratória (ver Tabela de Materiais).
    NOTA: O grafeno adquirido tem uma dimensão de 5 cm x 5 cm (ver Tabela de Materiais).
  2. Reveste a folha do grafeno com uma camada fina (100-200 nm) de PMMA 495K A4 girando a 500 rpm por 10 s e depois 2000 rpm por 50 s. Em seguida, asse a amostra a 150 °C por 5 min.
  3. Remova a parte traseira do grafeno com plasma de oxigênio (ver Tabela de Materiais) a 30 W, 15 sccm por 5 min.
  4. Corte o quadrado de grafeno tratado com plasma em dimensões menores (1 cm x 2 cm) para fabricação do dispositivo.
  5. Corte o substrato pré-limpo (SiO2) em pequenos pedaços com uma dimensão aproximada de 2,5 cm x 2 cm.
  6. Etch o cobre fora usando o etchant comercial de grafeno (cloreto de ferrílico) (ver Tabela de Materiais). Não diluir o etchante. Flutue a amostra com o lado de cobre para baixo e o lado PMMA para cima no etchante líquido.
  7. Após a gravura de cobre, levante o filme de grafeno lentamente usando o substrato tratado com plasma.
  8. Seque o grafeno transferido por 2h e depois asse a 80 °C por 15 min.
  9. Remova o PMMA seguindo as etapas abaixo.
    1. Aqueça a amostra com vapor de acetona a 70 °C. Mantenha a amostra em ~2 cm acima do vapor de acetona por 4 minutos com o lado PMMA voltado para baixo. Em seguida, mergulhe a amostra em acetona por 5 minutos.
    2. Lave a amostra com água DI com cautela e observe o grafeno transferido sob um microscópio. Finalmente, seque suavemente a amostra com N2.
    3. Realize a observação da microscopia de força atômica (AFM) para garantir o grafeno livre de resíduos pmma. Se o resíduo pmma for visível na imagem, realize a limpeza e imersão do vapor de acetona mais uma vez.
  10. Realize a caracterização de Raman e AFM para confirmar a monocamada de transferência de grafeno e observar as propriedades da superfície (Figura 1A,B).

2. Fabricação do Transistor de Efeito de Campo de Grafeno (GFET)

  1. Lave o substrato com o grafeno transferido usando acetona, IPA e água DI; em seguida, asse o substrato em uma placa quente a 75 °C por 30 min (Figura 2A).
  2. Utilizando o evaporador E-beam30 (ver Tabela de Materiais), deposite 5 nm de níquel e 45 nm de ouro na amostra de grafeno (Figura 2B).
  3. Aplique o primeiro processo de fotolitografia30 utilizando a máscara A (Figura Suplementar 1) para a padronização dos eletrodos (Figura 2C).
  4. Gire um fotoresist positivo (AZ 5214E, consulte Tabela de Materiais) na amostra (2000 rpm para 45 s) e cure a amostra a 120 °C por 1 min.
  5. Coloque a amostra no sistema de exposição a inundações UV e exponha-a por ~10 s abaixo de 200 mJ/cm2.
  6. Desenvolva a amostra com um desenvolvedor fotoresist (AZ300 MIF, consulte Tabela de Materiais) por ~2 min e, em seguida, enxágue com água DI.
  7. Mergulhe a amostra em um etchant dourado para gravar a camada de ouro por 10 s; enxágüe com água DI e remova a camada fotoresistista restante imergindo em acetona por 10 min (Figura 2C).
  8. Usando acetona, IPA e água DI, lave a amostra; asse em uma placa quente a 75 °C por 30 min. Em seguida, aplique o segundo processo de fotolitografia utilizando a máscara B (Figura Suplementar 1) para padronizar os canais de grafeno.
    NOTA: Use os mesmos parâmetros de processo do primeiro (etapa 2.4-2.6), exceto o sistema de exposição UV no alinhador da máscara (Figura 2D).
  9. Mergulhe a amostra em etchant de níquel a 60 °C para gravar a camada de níquel por 10 s; enxaguar com água DI; secar usando N2 (Figura 2D).
  10. Coloque a amostra no asher plasma e remova o grafeno exposto usando plasma de oxigênio (100 W para 90 s com fluxo de oxigênio a 49 sccm); depois disso, remova a camada fotoresista imergindo em acetona por 10 min (Figura 2E).
  11. Lave a amostra usando acetona, IPA e água DI; asse em uma placa quente a 75 °C por 30 min e aplique o terceiro processo de fotolitografia usando a máscara C (Figura Suplementar 1) para a padronização da camada fotoresist de passivação para proteger o grafeno subjacente no substrato. Use os mesmos parâmetros de processo do primeiro (passo 2.4-2.6), exceto o sistema de exposição UV no alinhador da máscara (Figura 2F).
  12. Após o terceiro processo de fotolitografia, mergulhe a amostra em níquel etchante a 60 °C por 10 s para remover a camada de níquel restante; em seguida, enxágue com água DI e seque usando N2 (Figura 2G). Por fim, asse a amostra em uma placa quente a 120 °C por 30 min (Figura 2H).

3. Funcionalização do GFET para detecção de IgG

  1. Monte o canal de entrega de amostras.
    1. Fabricar o canal de entrega de amostras em PDMS utilizando técnicas de litografia macia31.
    2. Mergulhe o dispositivo de grafeno em 0,1 M de solução NaOH para 30 s; enxágüe com água DI e deixe uma fina camada de água na superfície do dispositivo para auxiliar o alinhamento e a ligação do poço PDMS. Em seguida, ative a superfície do poço PDMS usando plasma de oxigênio.
    3. Alinhar o canal de entrega de amostras e o dispositivo de grafeno sob um microscópio; coloque o dispositivo alinhado em um forno de 60 °C por 3 h para permitir a ligação. O dispositivo montado é mostrado na Figura 3A.
  2. Funcionalize o GFET.
    1. Funcionalize a superfície de grafeno com aptamer IgG (ver Tabela de Materiais). Use pipetas para carregar e remova cada reagente ou tampão do poço PDMS. O processo esquemático é mostrado na Figura 4.
      NOTA: As seguintes etapas foram operadas em temperatura ambiente.
    2. Depois de enxaguar a superfície do grafeno com DMSO três vezes, aplique 1-pireno ácido butírico N-hidroxisuccinimide éster (PBASE, 10 mM dissolvido em DMSO, consulte Tabela de Materiais) e mantenha por 2h.
    3. Depois de enxaguar com DMSO, aplique 5'amino-modificado aptamer IgG (20 μM em 1x PBS), incubar por 3 h e enxaguar com 1x PBS três vezes.
    4. Aplique albumina de soro bovino (BSA, 10% w/v em 1x PBS) no grafeno por 1 h e enxágue com 1x PBS três vezes.

4. Detecção de IgG

  1. Enxágüe o dispositivo com PBS 0,01x três vezes. Encha bem o PDMS com PBS 0,01x (tampão de detecção) (Figura 3A,B).
  2. Conecte os eletrodos com um analisador de parâmetros de alto desempenho (ver Tabela de Materiais). Conecte o eletrodo de origem ao solo, ao dreno e aos eletrodos do portão às Unidades de Medição de Origem (SMU 1 e SMU 2) equipados com o analisador de parâmetros, respectivamente (Figura 3C).
  3. Configure os parâmetros de medição e ligue o processo de amostragem.
  4. Teste a resposta do EGGFET ao IgG monitorando continuamente a corrente de drenagem. Dissolver o IgG em PBS 0,01x com diferentes concentrações, adicionar a solução na câmara de detecção e monitorar a corrente de drenagem continuamente. Guarde os dados.

Resultados

Os resultados representativos mostram o grafeno DCD transferido caracterizado por Raman e AFM, respectivamente. O pico G e os picos 2D da imagem de Raman dão informações abrangentes sobre a existência e a qualidade do grafeno monocamadotransferido 32 (Figura 1). Os processos de litografia padrão30,31 foram aplicados para a fabricação do dispositivo GFET, conforme mostrado na Figura ...

Discussão

O grafeno CVD adquirido em filme de cobre precisa ser aparado ao tamanho certo para as seguintes etapas de fabricação. O corte dos filmes pode causar enrugamento, o que precisa ser evitado. Os parâmetros fornecidos na etapa de fabricação podem ser referidos para gravura plasmática de grafeno, e esses números podem ser variados ao usar diferentes instrumentos. A amostra gravada deve ser monitorada e inspecionada de perto para garantir a gravação completa do grafeno. Vários métodos de pré-limpeza podem ser apli...

Divulgações

Os autores não têm interesses concorrentes ou interesses conflitantes para divulgar.

Agradecimentos

Os experimentos foram realizados na Universidade de West Virginia. Reconhecemos as Instalações de Pesquisa Compartilhada da Universidade de West Virginia para fabricação de dispositivos e caracterização de materiais. Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA sob o Grant No. NSF1916894.

Materiais

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

Referências

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