JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Настоящий протокол демонстрирует разработку биосенсора полевого транзистора графена с электролитным покрытием (EGGFET) и его применение в детектировании биомаркеров иммуноглобулина G (IgG).

Аннотация

В текущем исследовании графен и его производные были исследованы и использованы для многих применений, включая электронику, зондирование, хранение энергии и фотокатализ. Синтез и изготовление графена высокого качества, хорошей однородности и низких дефектов имеют решающее значение для высокопроизводительных и высокочувствительных устройств. Среди многих методов синтеза химическое осаждение из паровой фазы (CVD), считающееся ведущим подходом к производству графена, может контролировать количество слоев графена и давать высококачественный графен. CVD графен должен быть перенесен с металлических подложек, на которых он выращивается, на изоляционные подложки для практического применения. Однако разделение и перенос графена на новые подложки являются проблемой для однородного слоя без повреждения или влияния на структуры и свойства графена. Кроме того, графеновый полевой транзистор с электролитным покрытием (EGGFET) был продемонстрирован для его широкого применения в различных биомолекулярных обнаружениях из-за его высокой чувствительности и стандартной конфигурации устройства. В этой статье продемонстрированы поли (метилметакрилат) (ПММА) с помощью графена, изготовление графенового полевого транзистора (GFET) и обнаружение биомаркера иммуноглобулина G (IgG). Рамановская спектроскопия и атомно-силовая микроскопия были применены для характеристики переносимого графена. Показано, что метод является практическим подходом к переносу чистого и безостаткового графена при сохранении лежащей в основе графеновой решетки на изолирующей подложке для электроники или биозондирования.

Введение

Графен и его производные были исследованы и использованы для многих применений, включая электронику 1,2, зондирование 3,4,5, хранение энергии 6,7 и фотокатализ 1,6,8. Синтез и изготовление графена высокого качества, хорошей однородности и низких дефектов имеют решающее значение для высокопроизводительных и высокочувствительных устройств. С момента разработки химического осаждения из паровой фазы (CVD) в 2009 году он показал колоссальные перспективы и занял свое место в качестве важного члена семейства графенов 9,10,11,12,13. Его выращивают на металлической подложке, а затем для практического использования переносят на изоляционные подложки14. В последнее время для переноса CVD графена используется несколько методов переноса. Метод с поддержкой поли (метилметакрилата) (ПММА) является наиболее используемым среди различных методов. Этот метод особенно хорошо подходит для промышленного использования из-за его крупномасштабных возможностей, более низкой стоимости и высокого качества передаваемого графена14,15. Критическим аспектом этого метода является избавление от остатков ПММА для применения CVD графена, поскольку остатки могут вызывать снижение электронных свойств графена 14,15,16, оказывать влияние на чувствительность и производительность биосенсоров 17,18 и создавать значительные вариации от устройства к устройству19.

Биосенсоры на основе наноматериалов были значительно исследованы за последние десятилетия, включая кремниевую нанопроволоку (SiNW), углеродные нанотрубки (CNT) и графен20. Благодаря своей одноатомнослойной структуре и отличительным свойствам графен демонстрирует превосходные электронные характеристики, хорошую биосовместимость и легкую функционализацию, что делает его привлекательным материалом для разработки биосенсоров 14,21,22,23. Благодаря характеристикам полевых транзисторов (FET), таким как высокая чувствительность, стандартная конфигурация и экономичная массовая производительность21,24, FET является более предпочтительным в портативных реализациях и реализациях в местах оказания медицинской помощи, чем другие электронные биозондирующие устройства. Биосенсоры графеновых полевых транзисторов с электролитным покрытием (EGGFET) являются примерами заявленных FETs21,24. EGGFET может обнаруживать различные целевые аналиты, такие как нуклеиновые кислоты25, белки 24,26, метаболиты27 и другие биологически значимые аналиты28. Метод, упомянутый здесь, обеспечивает реализацию CVD-графена в биосенсорном наноэлектронном устройстве без меток, которое обеспечивает более высокую чувствительность и точное определение времени по сравнению с другими биосенсорными устройствами29.

В этой работе продемонстрирован общий процесс разработки биосенсора EGGFET и его функционализации для обнаружения биомаркеров, включая перенос CVD-графена на изолирующую подложку, рамановскую и AFM-характеристики переносимого графена. Кроме того, здесь также обсуждаются изготовление EGGFET и интеграция с полидиметилсилоксаном (PDMS) для доставки образцов, функционализация биорецепторов и успешное обнаружение иммуноглобулина человека G (IgG) из сыворотки путем экспериментов по спайку и восстановлению.

протокол

1. Перенос химического осаждения графена из паровой фазы

  1. Разрежьте графеновый лист на медной подложке пополам (2,5 см х 5 см) ножницами. Нанесите терморезистивную ленту для фиксации четырех углов графенового квадрата на прокладке спиннера (см. Таблицу материалов).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Приобретаемый графен имеет размеры 5 см х 5 см (см. Таблицу материалов).
  2. Шпин-покрытие листа графена тонким слоем (100-200 нм) ПММА 495К А4, вращающимся при 500 об/мин в течение 10 с и затем 2000 об/мин в течение 50 с. Затем выпекайте образец при 150 °C в течение 5 мин.
  3. Удаляют заднюю сторону графена кислородной плазмой (см. Таблицу материалов) при 30 Вт, 15 см в течение 5 мин.
  4. Разрежьте обработанный плазмой графеновый квадрат на меньшие размеры (1 см х 2 см) для изготовления устройства.
  5. Предварительно очищенную подложку (SiO2) разрезать на мелкие кусочки с приблизительным размером 2,5 см х 2 см.
  6. Травите медь с помощью графенового коммерческого травильного материала (хлорид железа) (см. Таблицу материалов). Не разбавляйте травление. Поместите образец медной стороной вниз и стороной ПММА вверх на жидком травилке.
  7. После травления меди медленно поднимите графеновую пленку, используя плазменную подложку.
  8. Высушите на воздухе перенесенный графен в течение 2 ч, а затем выпекайте при 80 °C в течение 15 мин.
  9. Удалите PMMA, выполнив следующие действия.
    1. Разогрейте образец парами ацетона при 70 °C. Держите образец на высоте ~2 см выше паров ацетона в течение 4 минут стороной ПММА лицом вниз. Затем погрузить образец в ацетон на 5 мин.
    2. Тщательно промыть образец водой DI и понаблюдать за перенесенным графеном под микроскопом. Наконец, аккуратно высушите образц феном сN2.
    3. Выполните атомно-силовую микроскопию (AFM) для обеспечения отсутствия остатков ПММА графена. Если на изображении виден остаток ПММА, выполните очистку пара ацетона и погружение еще раз.
  10. Выполняют рамановскую и AFM-характеристику для подтверждения монослоя переноса графена и наблюдают свойства поверхности (рис. 1А,В).

2. Изготовление графенового полевого транзистора (GFET)

  1. Промыть подложку перенесенным графеном с использованием ацетона, IPA и DI воды; затем выпекать подложку на конфорке при 75 °C в течение 30 мин (рисунок 2А).
  2. Используя испарительE-пучка 30 (см. Таблицу материалов), нанесите 5 нм никеля и 45 нм золота на образец графена (рисунок 2B).
  3. Применяют первый процесс фотолитографии30 с использованием маски А (Дополнительный рисунок 1) для построения рисунка электродов (Рисунок 2С).
  4. Вращайте положительный фоторезист (AZ 5214E, см. Таблицу материалов) на образце (2000 об/мин в течение 45 с) и отверждайте образец при 120 °C в течение 1 мин.
  5. Поместите образец в систему воздействия УФ-наводнения и подвергайте его воздействию в течение ~ 10 с при 200 мДж /см2.
  6. Разработайте образец с помощью разработчика фоторезиста (AZ300 MIF, см. Таблицу материалов) в течение ~2 мин, а затем промойте водой DI.
  7. Погрузите образец в золотой травил, чтобы вытравить золотой слой на 10 с; промыть водой DI и удалить оставшийся слой фоторезиста, погружая в ацетон на 10 мин (рисунок 2C).
  8. Используя ацетон, IPA и ВОДУ DI, промыть образец; выпекать на конфорке при 75 °C в течение 30 мин. Затем примените второй процесс фотолитографии с использованием маски B (дополнительный рисунок 1) для формирования графеновых каналов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте те же параметры процесса, что и первый (шаг 2.4-2.6), за исключением системы воздействия ультрафиолета в элайнере маски (рисунок 2D).
  9. Погрузить образец в никелевый травиль при 60 °C для травления никелевого слоя в течение 10 с; промыть водой DI; сушка феном с использованием N2 (рисунок 2D).
  10. Поместите образец в плазменный ашер и удалите экспонированный графен с помощью кислородной плазмы (100 Вт в течение 90 с потоком кислорода при 49 sccm); после этого удаляют слой фоторезиста погружением в ацетон на 10 мин (рисунок 2Е).
  11. Промыть образец водой ацетоном, IPA и DI; выпекать на конфорке при 75 °C в течение 30 мин и применять третий процесс фотолитографии с использованием маски C (дополнительный рисунок 1) для формирования пассивационного слоя фоторезиста для защиты нижележащего графена на подложке. Используйте те же параметры процесса, что и первый (шаг 2.4-2.6), за исключением системы воздействия ультрафиолета в элайнере маски (рисунок 2F).
  12. После третьего процесса фотолитографии погрузить образец в никелевый травиль при 60 °C в течение 10 с для удаления оставшегося слоя никеля; затем промыть водой DI и высушить феном, используя N2 (рисунок 2G). Наконец, выпекайте образец на конфорке при 120 °C в течение 30 мин (рисунок 2H).

3. Функционализация GFET для обнаружения IgG

  1. Соберите канал доставки образцов.
    1. Изготовьте канал доставки образцов в PDMS с использованием методов мягкой литографии31.
    2. Погрузить графеновое устройство в 0,1 М раствора NaOH на 30 с; промыть водой DI и оставить тонкий слой воды на поверхности устройства, чтобы облегчить выравнивание и склеивание скважины PDMS. Затем активируйте поверхность скважины PDMS с помощью кислородной плазмы.
    3. Выровнять канал подачи образца и графеновое устройство под микроскопом; поместите выровненное устройство в печь с температурой 60 °C на 3 часа, чтобы обеспечить склеивание. Собранное устройство показано на рисунке 3А.
  2. Функционализируйте GFET.
    1. Функционализируйте поверхность графена с помощью аптамера IgG (см. Таблицу материалов). Используйте пипетки для загрузки и удаления каждого реагента или буфера из скважины PDMS. Схематический процесс показан на рисунке 4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие этапы выполнялись при комнатной температуре.
    2. После промывки поверхности графена ДМСО трижды применяют 1-пиренбенасляную кислоту N-гидроксисукцинимидный эфир (PBASE, 10 мМ растворен в ДМСО, см. Таблицу материалов) и держат в течение 2 ч.
    3. После полоскания с ДМСО применяют 5'амино-модифицированный аптамер IgG (20 мкМ в 1x PBS), инкубируют в течение 3 ч и смывают 1x PBS три раза.
    4. Нанесите бычий сывороточный альбумин (BSA, 10% мас./об.в 1x PBS) на графен в течение 1 ч и трижды промойте 1x PBS.

4. Обнаружение IgG

  1. Промывайте устройство с помощью 0,01x PBS три раза. Заполните колодец PDMS 0,01x PBS (буфер обнаружения) (рисунок 3A,B).
  2. Соедините электроды с высокопроизводительным анализатором параметров (см. Таблицу материалов). Подключите электрод источника к земле, дренаж и затворные электроды к блокам измерения источника (SMU 1 и SMU 2), оснащенным анализатором параметров соответственно (рисунок 3C).
  3. Настройте параметры измерения и включите процесс отбора проб.
  4. Проверьте реакцию EGGFET на IgG, непрерывно контролируя ток стока. Растворите IgG в 0,01x PBS с различными концентрациями, добавьте раствор в камеру обнаружения и непрерывно контролируйте ток слива. Сохраните данные.

Результаты

Репрезентативные результаты показывают перенесенный CVD графен, характеризующийся рамановским и AFM, соответственно. Пик G и 2D-пики рамановского изображения дают исчерпывающую информацию о существовании и качестве переданного монослоя графена32 (рисунок 1). Д...

Обсуждение

Приобретенный CVD графен на медной пленке должен быть обрезан до нужного размера для следующих этапов изготовления. Разрезание пленок может вызвать сморщивание, которое необходимо предотвратить. Параметры, указанные на этапе изготовления, могут быть отнесены к плазменному травлению г?...

Раскрытие информации

У авторов нет конкурирующих интересов или конфликтующих интересов для раскрытия.

Благодарности

Эксперименты проводились в Университете Западной Вирджинии. Мы выражаем признательность За использование общих исследовательских центров в Университете Западной Вирджинии для изготовления устройств и определения характеристик материалов. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом США в рамках гранта No. NSF1916894.

Материалы

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

Ссылки

  1. Saini, D. Synthesis and functionalization of graphene and application in electrochemical biosensing. Nanotechnology Reviews. 5 (4), 393-416 (2016).
  2. Emtsev, K. V., Bostwick, A., Horn, K., et al. Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide. Nature Materials. 8 (3), 203-207 (2009).
  3. Wang, Y., et al. Electrochemical delamination of CVD-grown graphene film: Toward the recyclable use of copper catalyst. ACS Nano. 5 (12), 9927-9933 (2011).
  4. Carvalho Fernandes, D. C., Lynch, D., Berry, V. 3D-printed graphene/polymer structures for electron-tunneling based devices. Scientific Reports. 10 (1), 1-8 (2020).
  5. Gao, L., et al. Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum. Nature Communications. 3, 699 (2012).
  6. Singh, J., Rathi, A., Rawat, M., Gupta, M. Graphene: From synthesis to engineering to biosensor applications. Frontiers of Materials Science. 12 (1), 1-20 (2018).
  7. Randviir, E. P., Brownson, D. A. C., Banks, C. E. A decade of graphene research: Production, applications and outlook. Materials Today. 17 (9), 426-432 (2014).
  8. Suvarnaphaet, P., Pechprasarn, S. Graphene-based materials for biosensors: A review. Sensors (Switzerland). 17 (10), 2161 (2017).
  9. Li, X., Cai, W., An, J., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
  10. Yu, Q., Lian, J., Siriponglert, S., Li, H., Chen, Y. P., Pei, S. S. Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators. Applied Physics Letters. 93 (11), 113103 (2008).
  11. Xu, S. C., et al. Direct synthesis of graphene on SiO2 substrates by chemical vapor deposition. CrystEngComm. 15 (10), 1840-1844 (2013).
  12. Zhang, C., et al. Facile synthesis of graphene on dielectric surfaces using a two-temperature reactor CVD system. Nanotechnology. 24 (39), 395603 (2013).
  13. Zhang, C., et al. Direct formation of graphene-carbon nanotubes hybrid on SiO2 substrate via chemical vapor deposition. Science of Advanced Materials. 6 (2), 399-404 (2014).
  14. Sun, J., Finklea, H. O., Liu, Y. Characterization and electrolytic cleaning of poly(methyl methacrylate) residues on transferred chemical vapor deposited graphene. Nanotechnology. 28 (12), 125703 (2017).
  15. Lin, Y. C., Lu, C. C., Yeh, C. H., Jin, C., Suenaga, K., Chiu, P. W. Graphene annealing: How clean can it be. Nano Letters. 12 (1), 414-419 (2012).
  16. Pirkle, A., et al. The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2. Applied Physics Letters. 99 (12), 122108 (2011).
  17. Chen, T. Y., et al. Label-free detection of DNA hybridization using transistors based on CVD grown graphene. Biosensors and Bioelectronics. 41 (1), 103-109 (2013).
  18. Xu, S., et al. Direct growth of graphene on quartz substrates for label-free detection of adenosine triphosphate. Nanotechnology. 25 (16), 165702 (2014).
  19. Dan, Y., Lu, Y., Kybert, N. J., Luo, Z., Johnson, A. T. C. Intrinsic response of graphene vapor sensors. Nano Letters. 9 (4), 1472-1475 (2009).
  20. Zhang, A., Lieber, C. M. -. Nano-Bioelectronics. Chemical Reviews. 116 (1), 215-257 (2015).
  21. Forsyth, R., Devadoss, A., Guy, O. J. Graphene Field effect transistors for biomedical applications: Current status and future prospects. Diagnostics (Basel). 7 (3), 45 (2017).
  22. Dankerl, M., et al. Graphene solution-gated field-effect transistor array for sensing applications. Advanced Functional Materials. 20 (18), 3117-3124 (2010).
  23. He, Q., Wu, S., Yin, Z., Zhang, H. Graphene -based electronic sensors. Chemical Science. 3 (6), 1764-1772 (2012).
  24. Sun, J., Liu, Y. Matrix effect study and immunoassay detection using electrolyte-gated graphene biosensor. Micromachines. 9 (4), 142 (2018).
  25. Mohanty, N., Berry, V. Graphene-based single-bacterium resolution biodevice and DNA transistor: Interfacing graphene derivatives with nanoscale and microscale biocomponents. Nano Letters. 8 (12), 4469-4476 (2008).
  26. Ohno, Y., Maehashi, K., Yamashiro, Y., Matsumoto, K. Electrolyte-gated graphene field-effect transistors for detecting pH and protein adsorption. Nano Letters. 9 (9), 3318-3322 (2009).
  27. Huang, Y., Dong, X., Shi, Y., Li, C. M., Li, L. J., Chen, P. Nanoelectronic biosensors based on CVD grown graphene. Nanoscale. 2 (8), 1485-1488 (2010).
  28. Jiang, S., et al. Real-time electrical detection of nitric oxide in biological systems with sub-nanomolar sensitivity. Nature Communications. 4 (1), 1-7 (2013).
  29. Bai, Y., Xu, T., Zhang, X. Graphene-based biosensors for detection of biomarkers. Micromachines. 11 (1), 60 (2020).
  30. Madou, M. J. . Fundamentals of Microfabrication The Science of Miniaturization. 2nd ed. , (2002).
  31. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Material Sciences. 28 (1), 153-184 (2003).
  32. Wang, Y. Y., et al. Raman studies of monolayer graphene: The substrate effect. Journal of Physical Chemistry C. 112 (29), 10637-10640 (2008).
  33. Betancur, V., Sun, J., Wu, N., Liu, Y. Integrated lateral flow device for flow control with blood separation and biosensing. Micromachines. 8 (12), 367 (2017).
  34. Butt, A. . Physics and Chemistry of Interfaces. 3rd ed. , (2003).
  35. Sitko, R., Zawisza, B., Malicka, E. Graphene as a new sorbent in analytical chemistry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 51, 33-43 (2013).
  36. Bai, L., et al. Graphene for energy storage and conversion: Synthesis and Interdisciplinary applications. Electrochemical Energy Reviews. 3 (2), 395-430 (2019).
  37. Boretti, A., Al-Zubaidy, S., Vaclavikova, M., Al-Abri, M., Castelletto, S., Mikhalovsky, S. Outlook for graphene-based desalination membranes. npj Clean Water. 1 (1), 1-11 (2018).
  38. Pumera, M. Graphene in biosensing. Materials Today. 14 (7-8), 308-315 (2011).
  39. Sun, J., Liu, Y. Unique constant phase element behavior of the electrolyte-graphene interface. Nanomaterials. 9 (7), 923 (2019).
  40. Sun, J., Camilli, L., Caridad, J. M., Santos, J. E., Liu, Y. Spontaneous adsorption of ions on graphene at the electrolyte-graphene interface. Applied Physics Letters. 117 (20), 203102 (2020).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

180CVD

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены