本实验方案展示了电解质门控石墨烯场效应晶体管（EGGFET）生物传感器的构建及其在生物标志物免疫球蛋白G（IgG）检测中的应用。
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本文内容
摘要
摘要
在本研究中，石墨烯及其衍生物已被探索并应用于诸多领域，包括电子学、传感、能量存储和光催化。高质量、高均匀性且低缺陷石墨烯的合成与制备，对于高性能和高灵敏度器件至关重要。在众多合成方法中，化学气相沉积法（CVD）被认为是制备石墨烯的领先方法，可控制石墨烯层数并获得高质量石墨烯。CVD生长的石墨烯需要从其生长所用的金属基底转移至 绝缘基底，以实现实际应用。然而，将石墨烯完整地分离并转移至新基底上，同时不破坏或影响其结构与性能，以获得均匀的单层，仍具挑战性。此外，电解质门控石墨烯场效应晶体管（EGGFET）因其高灵敏度和标准器件结构，在多种生物分子检测中展现出广泛应用前景。本文展示了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助的石墨烯转移方法、石墨烯场效应晶体管（GFET）的制备以及生物标志物免疫球蛋白G（IgG）的检测。采用拉曼光谱和原子力显微镜对转移后的石墨烯进行表征。该方法被证明是一种实用的策略，可在保持石墨烯晶格结构完整的前提下，将洁净且无残留的石墨烯转移至用于电子或生物传感应用的绝缘基底上。
引言
石墨烯及其衍生物已被研究并应用于诸多领域，包括电子学1,2、传感3,4,5、能量存储6,7以及光催化1,6,8。高质量、高均匀性且低缺陷的石墨烯的合成与制备，对于高性能和高灵敏度器件至关重要。自2009年化学气相沉积（CVD）技术发展以来，该方法展现出巨大前景，并已成为石墨烯制备技术中不可或缺的重要组成部分9,10,11,12,13。CVD石墨烯通常在金属基底上生长，随后为实际应用需要被转移至绝缘基底上
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方案
1. 石墨烯的化学气相沉积转移
- 使用剪刀将铜基底上的石墨烯片裁剪成两半（2.5 cm × 5 cm）。用耐高温胶带固定石墨烯方片的四个角于旋涂仪垫圈上（见材料表）。
注意：购买的石墨烯尺寸为 5 cm × 5 cm（见材料表）。 - 在石墨烯片上旋涂一层薄的 PMMA 495K A4（100–200 nm），先以 500 rpm 旋转 10 秒，再以 2000 rpm 旋转 50 秒。然后将样品在 150 °C 下烘烤 5 分钟。
- 使用氧气等离子体（见材料表）在 30 W、15 sccm 条件下处理 5 分钟，去除石墨烯背面。
- 将经等离子体处理的石墨烯方片裁剪为更小的尺寸（1 cm × 2 cm），用于器件制备。
- 将预清洁的基底（SiO2）切割成约 2.5 cm × 2 cm 的小片。
- 使用商用石墨烯蚀刻剂（氯化铁）蚀刻去除铜层（见材料表）。不要稀释蚀刻剂。将样品以铜面朝下、PMMA 面朝上的方式漂浮在液态蚀刻剂中。
- 铜层蚀刻完成后，用经等离子体处理的基底缓慢提起石墨烯薄膜。
- 将转移后的石墨烯在空气中干燥 2 小时，然后在 80 °C 下烘烤 15 分钟。 <....
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结果
代表性结果分别展示了通过拉曼光谱和原子力显微镜（AFM）表征的转移后化学气相沉积（CVD）石墨烯。拉曼成像中的G峰和2D峰提供了有关转移单层石墨烯存在性及其质量的全面信息32（图1）。如图2所示，采用标准光刻工艺30,31制备石墨烯场效应晶体管（GFET）器件。图3展示了制备完成的GFET器件，其上组装了聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品进样井以及实验装置。PDMS以10:1的质量比混合后倒入培养皿中，随后将含有PDMS混合物的整个培养皿置于60 °C烘箱中加热3小时。固化后的PDMS从培养皿上剥离，并裁剪成一个立方体（1 cm × 1 cm × 1 cm）。然后使用打孔器在PDMS立方体上打出一个直径为6 mm的孔作为进样井。
用于IgG检测的.......
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讨论
购买的铜膜上化学气相沉积石墨烯需要裁剪至合适尺寸，以用于后续制备步骤。切割薄膜可能导致褶皱，需避免此现象。可参考制备步骤中提供的参数进行石墨烯的等离子体刻蚀，但使用不同仪器时这些数值可能需要调整。刻蚀后的样品必须密切监控和检查，以确保石墨烯完全被刻蚀。可采用多种预清洗方法清洁基底，例如在丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水中分别超声处理5分钟，用去离子水冲洗，并用氮气吹干或进行O2等离子体处理（300 W，流量约100 sccm，持续5分钟）。使用商用氯化铁铜刻蚀液时，铜的刻蚀速率约为1.25–1.67 微米/分钟。刻蚀过程需密切观察。刻蚀完成后，需用去离子水充分冲洗。
本方案中提到的丙酮清洗技术是最优的残留物清洗方法。等离子清洗有可能损伤单层石墨烯，因此对石墨烯层最友好的清洗技术是丙酮清洗。但去除PMMA残留同样至关重要，因为它会影响后续工艺。进行拉曼光谱分析和原子力显微镜（AFM）检测可以实时评估石墨烯的质量以及PMMA残留情况。本方案中使用的仪器和化学品非常关键，会直接影响所制备器件的质量，因此需要定期检查并更新仪器的性能状态和化学品的有效性。
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披露
作者声明无任何竞争利益或利益冲突需要披露。
致谢
实验在西弗吉尼亚大学进行。我们感谢西弗吉尼亚大学共享研究设施中心在器件制备和材料表征方面的支持。本工作由美国国家科学基金会资助，项目编号NSF1916894。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-芘丁酸 N-羟基琥珀酰亚胺酯 | Sigma Aldrich | 457078-1G | 功能化 |
| Asylum MFP-3D 原子力显微镜 | Oxford Instruments | 石墨烯表征 | |
| AZ 300 MIF | MicroChemicals | AZ 300 MIF | 光刻胶显影液 |
| AZ 300 MIF | MicroChemicals | AZ 300 MIF | 光刻胶 |
| 牛血清白蛋白 | Sigma Aldrich | 810014 | 封闭 |
| Branson 1210 超声波清洗机 | SONITEK | 样品清洗 | |
| 铜刻蚀液 | Sigma Aldrich | 667528-500ML | 去除铜膜以释放石墨烯 |
| 二甲基亚砜 (DMSO) | VWR | 97063-136 | 功能化 |
| 一次性活检打孔器，Integra Miltex | VWR | 21909-144 | 在PDMS中创建样品井 |
| 金刻蚀液 | Gold Etch, TFA, Transene | 658148 | 刻蚀 |
| 石墨烯 | Graphene supermarket | 2" x 2" 片材 | 器件的生物传感元件 |
| IgG 适配体 | Base Pair Biotechnologies | 定制 | 生物受体 |
| Keithley 4200A-SCS 参数分析仪 | Tektronix | 测量与检测 | |
| KMG CR-6 | KMG chemicals | 64216 | 铬刻蚀液 |
| Kurt J. Lesker 电子束蒸发仪 | Kurt J. Lesker | 金属沉积 | |
| Laurell Technologies 400 旋涂机 | Laurell Technologies | WS-400BZ-6NPP/LITE | 薄膜涂覆 |
| March PX-250 等离子体灰化仪 | March Instruments | 样品清洗 | |
| 镍刻蚀液 | Nickel Etchant, TFB, Transene | 600016000 | 刻蚀液 |
| OAI 漫曝光系统 | OAI | 光刻 | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Sigma Aldrich | 806552-500ML | 缓冲液 |
| PMMA 495K A4 | MicroChemicals | PMMA 495K A4 | 辅助石墨烯转移的光刻胶 |
| 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) | Sigma Aldrich | Sylgard 184 | 样品输送井 |
| Renishaw InVia 拉曼显微镜 | Renishaw | 石墨烯表征 | |
| 氢氧化钠 (NaOH) | Sigma Aldrich | 221465-25G | 功能化 |
| Suss Microtech MA6 掩模对准仪 | Suss MicroTec | 光刻 | |
| Thermo Scientific Cimarec 加热板 | Thermo Scientific | SP131635 | 样品与器件烘烤 |
参考文献
- Saini, D. Synthesis and functionalization of graphene and application in electrochemical biosensing. Nanotechnology Reviews. 5 (4), 393-416 (2016).
- Emtsev, K. V., Bostwick, A., Horn, K., et al. Towards wafer-size ....
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重印与许可
