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Engineering

बायोमार्कर का पता लगाने के लिए इलेक्ट्रोलाइट-गेटेड ग्राफीन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर का विकास और कार्यात्मकता

Published: February 1, 2022 doi: 10.3791/63393
Automatic Translation
1, 2, 1
1Lane Department of Computer Science and Electrical Engineering, West Virginia University, 2Beijing Graphene Institute

Summary

वर्तमान प्रोटोकॉल इलेक्ट्रोलाइट-गेटेड ग्राफीन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (EGGFET) बायोसेंसर के विकास और बायोमार्कर इम्युनोग्लोबुलिन जी (आईजीजी) का पता लगाने में इसके आवेदन को दर्शाता है।

Abstract

वर्तमान अध्ययन में, graphene और इसके डेरिवेटिव की जांच की गई है और इलेक्ट्रॉनिक्स, संवेदन, ऊर्जा भंडारण और photocatalysis सहित कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है। संश्लेषण और उच्च गुणवत्ता, अच्छी एकरूपता, और कम दोष graphene के निर्माण उच्च प्रदर्शन और अत्यधिक संवेदनशील उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण हैं. कई संश्लेषण विधियों में, रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), जिसे ग्राफीन के निर्माण के लिए एक प्रमुख दृष्टिकोण माना जाता है, ग्राफीन परतों की संख्या को नियंत्रित कर सकता है और उच्च गुणवत्ता वाले ग्राफीन की उपज कर सकता है। सीवीडी graphene को धातु substrates से स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है जिस पर इसे व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए इन्सुलेट सब्सट्रेट पर उगाया जाता है। हालांकि, अलगाव और नए substrates पर graphene के स्थानांतरण हानिकारक या graphene संरचनाओं और गुणों को प्रभावित किए बिना एक समान परत के लिए चुनौतीपूर्ण हैं। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रोलाइट-गेटेड ग्राफीन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (EGGFET) को इसकी उच्च संवेदनशीलता और मानक डिवाइस कॉन्फ़िगरेशन के कारण विभिन्न बायोमोलेक्यूलर डिटेक्शन में इसके व्यापक अनुप्रयोगों के लिए प्रदर्शित किया गया है। इस लेख में, पॉली (मिथाइल मेथाक्रिलेट) (पीएमएमए) - सहायता प्राप्त ग्राफीन स्थानांतरण दृष्टिकोण, ग्राफीन क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (जीएफईटी) के निर्माण, और बायोमार्कर इम्युनोग्लोबुलिन जी (आईजीजी) का पता लगाने का प्रदर्शन किया जाता है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और परमाणु बल माइक्रोस्कोपी को स्थानांतरित ग्राफीन को चिह्नित करने के लिए लागू किया गया था। इस विधि को इलेक्ट्रॉनिक्स या बायोसेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए एक इन्सुलेट सब्सट्रेट पर अंतर्निहित ग्राफीन जाली को संरक्षित करते हुए स्वच्छ और अवशेष-मुक्त ग्राफीन को स्थानांतरित करने के लिए एक व्यावहारिक दृष्टिकोण दिखाया गया है।

Introduction

Graphene और इसके डेरिवेटिव की जांच की गई है और इलेक्ट्रॉनिक्स1,2, संवेदन 3,4,5, ऊर्जा भंडारण 6,7, और photocatalysis 1,6,8 सहित कई अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया है। संश्लेषण और उच्च गुणवत्ता, अच्छी एकरूपता, और कम दोष graphene के निर्माण उच्च प्रदर्शन और अत्यधिक संवेदनशील उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण हैं. 2009 में रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) के विकास के बाद से, इसने विशाल वादा दिखाया है और ग्राफीन परिवार के एक आवश्यक सदस्य के रूप में अपनी जगह निर्धारित की है 9,10,11,12,13। यह एक धातु सब्सट्रेट पर उगाया जाता है और बाद में व्यावहारिक उपयोगों के लिए, इन्सुलेट सब्सट्रेट्स14 पर स्थानांतरित किया जाता है। हाल ही में सीवीडी ग्राफीन को स्थानांतरित करने के लिए कई स्थानांतरण विधियों का उपयोग किया गया है। पॉली (मिथाइल मेथाक्रिलेट) (पीएमएमए) सहायता प्राप्त विधि विभिन्न तकनीकों के बीच सबसे अधिक उपयोग की जाती है। यह विधि विशेष रूप से औद्योगिक उपयोग के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है क्योंकि इसकी बड़े पैमाने पर क्षमता, कम लागत और स्थानांतरित ग्राफीन14,15 की उच्च गुणवत्ता है। इस विधि का महत्वपूर्ण पहलू सीवीडी ग्राफीन के अनुप्रयोगों के लिए पीएमएमए अवशेषों से छुटकारा पा रहा है क्योंकि अवशेष ग्राफीन14,15,16 के इलेक्ट्रॉनिक गुणों की गिरावट का कारण बन सकते हैं, बायोसेंसर की संवेदनशीलता और प्रदर्शन17,18 पर प्रभाव डालसकते हैं, और महत्वपूर्ण डिवाइस-टू-डिवाइस विविधताएं बना सकते हैं।

Nanomaterials-आधारित biosensors पिछले दशकों में काफी जांच की गई है, जिसमें सिलिकॉन नैनोवायर (SiNW), कार्बन नैनोट्यूब (CNT), और graphene20 शामिल हैं। इसकी एकल-परमाणु-परत संरचना और विशिष्ट गुणों के कारण, graphene बेहतर इलेक्ट्रॉनिक विशेषताओं, अच्छी biocompatibility, और सरल functionalization को प्रदर्शित करता है, जिससे यह बायोसेंसर14,21,22,23 के विकास के लिए एक आकर्षक सामग्री बन जाता है। क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी) विशेषताओं जैसे कि उच्च संवेदनशीलता, मानक विन्यास, और लागत-प्रभावी बड़े पैमाने पर उत्पादकता21,24 के कारण, एफईटी अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स-आधारित बायोसेंसिंग उपकरणों की तुलना में पोर्टेबल और पॉइंट-ऑफ-केयर कार्यान्वयन में अधिक पसंद किया जाता है। इलेक्ट्रोलाइट-गेटेड ग्राफीन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (EGGFET) बायोसेंसर21,24 के बताए गए FETs के उदाहरण हैं। EGGFET विभिन्न लक्ष्यीकरण analytes जैसे न्यूक्लिक एसिड25, प्रोटीन24,26, मेटाबोलाइट्स 27, और अन्य जैविक रूप से प्रासंगिक analytes28 का पता लगा सकता है। यहां उल्लिखित तकनीक एक लेबल-मुक्त बायोसेंसिंग नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स डिवाइस में सीवीडी ग्राफीन के कार्यान्वयन को सुनिश्चित करती है जो अन्य बायोसेंसिंग उपकरणों पर उच्च संवेदनशीलता और सटीक समय का पता लगाने की पेशकश करतीहै।

इस काम में, एक EGGFET बायोसेंसर विकसित करने और बायोमार्कर का पता लगाने के लिए इसे कार्यात्मक बनाने के लिए एक समग्र प्रक्रिया, जिसमें सीवीडी ग्राफीन को एक इन्सुलेट सब्सट्रेट, रमन और स्थानांतरित ग्राफीन के एएफएम लक्षणों पर स्थानांतरित करना शामिल है, का प्रदर्शन किया जाता है। इसके अलावा, EGGFET के निर्माण और एक polydimethylsiloxane (PDMS) नमूना वितरण अच्छी तरह से, bioreceptor functionalization, और स्पाइक-और-वसूली प्रयोगों द्वारा सीरम से मानव इम्युनोग्लोबुलिन जी (IgG) का सफल पता लगाने के साथ एकीकरण भी यहाँ चर्चा कर रहे हैं।

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Protocol

1. graphene के रासायनिक वाष्प जमाव स्थानांतरण

  1. कैंची का उपयोग करके आधे (2.5 सेमी x 5 सेमी) में तांबे के सब्सट्रेट पर ग्राफीन शीट काटें। एक स्पिनर गैस्केट पर graphene वर्ग के चार कोनों को ठीक करने के लिए गर्मी प्रतिरोधी टेप लागू करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    नोट: खरीदे गए graphene में 5 सेमी x 5 सेमी का एक आयाम है ( सामग्री की तालिका देखें)।
  2. स्पिन-कोट एक पतली परत (100-200 एनएम) के साथ graphene की शीट PMMA 495K A4 10 s के लिए 500 rpm पर कताई और फिर 50 s के लिए 2000 rpm. फिर नमूने को 5 मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर बेक करें।
  3. ऑक्सीजन प्लाज्मा के साथ graphene के backside निकालें ( सामग्री की तालिका देखें) 30 W पर, 5 मिनट के लिए 15 sccm.
  4. डिवाइस निर्माण के लिए छोटे आयामों (1 सेमी x 2 सेमी) में प्लाज्मा-उपचारित ग्राफीन वर्ग में कटौती करें।
  5. 2.5 सेमी x2 सेमी के अनुमानित आयाम के साथ छोटे टुकड़ों में पूर्व-साफ सब्सट्रेट (SiO 2) काटें।
  6. Graphene वाणिज्यिक etchant (फेरिक क्लोराइड) का उपयोग कर बंद तांबे को खोदना ( सामग्री की तालिका देखें). etchant पतला मत करो. तांबे की तरफ नीचे और पीएमएमए पक्ष के साथ नमूना फ्लोट तरल etchant पर ऊपर.
  7. तांबे की नक़्क़ाशी के बाद, प्लाज्मा-उपचारित सब्सट्रेट का उपयोग करके ग्राफीन फिल्म को धीरे-धीरे उठाएं।
  8. एयर-2 ज के लिए स्थानांतरित graphene सूखी और फिर 15 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर सेंकना।
  9. नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए PMMA को निकालें।
    1. 70 डिग्री सेल्सियस पर एसीटोन वाष्प के साथ नमूने को गर्म करें। नमूना पर ~ 2 सेमी एसीटोन वाष्प के ऊपर 4 मिनट के लिए PMMA पक्ष के साथ नीचे का सामना करना पड़ रहा है के साथ रखें. फिर 5 मिनट के लिए एसीटोन में नमूने को विसर्जित करें।
    2. DI पानी के साथ नमूने को सावधानी से धोएं और माइक्रोस्कोप के तहत स्थानांतरित ग्राफीन का निरीक्षण करें। अंत में, धीरे से झटका-एन2 के साथ नमूना सूखी.
    3. PMMA अवशेष-मुक्त graphene सुनिश्चित करने के लिए परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) अवलोकन प्रदर्शन करें। यदि पीएमएमए अवशेष छवि में दिखाई देते हैं, तो एसीटोन वाष्प सफाई और विसर्जन एक बार फिर से करें।
  10. Graphene स्थानांतरण के मोनोलेयर की पुष्टि करने के लिए रमन और AFM लक्षण वर्णन प्रदर्शन और सतह के गुणों का निरीक्षण (चित्रा 1A, B).

2. Graphene क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के निर्माण (GFET)

  1. एसीटोन, आईपीए और डीआई पानी का उपयोग करके स्थानांतरित ग्राफीन के साथ सब्सट्रेट को धोएं; फिर 30 मिनट के लिए 75 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म प्लेट पर सब्सट्रेट को सेंकना (चित्रा 2 ए)।
  2. ई-बीम बाष्पीकरणकर्ता30 का उपयोग करना ( सामग्री की तालिका देखें), ग्राफीन नमूने पर 5 एनएम निकल और 45 एनएम सोना जमा करें (चित्रा 2 बी)।
  3. इलेक्ट्रोड (चित्रा 2C) के पैटर्निंग के लिए मास्क ए (अनुपूरक चित्रा 1) का उपयोग करके पहली फोटोलिथोग्राफी30 प्रक्रिया लागू करें।
  4. नमूने पर एक सकारात्मक फोटोरेसिस्ट (AZ 5214E, सामग्री की तालिका देखें) स्पिन (45 s के लिए 2000 rpm) और 1 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर नमूने का इलाज।
  5. यूवी बाढ़ जोखिम प्रणाली में नमूना जगह और 200 mJ / सेमी2 के तहत ~ 10 s के लिए यह बेनकाब.
  6. ~ 2 मिनट के लिए एक photoresist डेवलपर (AZ300 MIF, सामग्री की तालिका देखें) के साथ नमूना विकसित करें, और फिर DI पानी के साथ कुल्ला।
  7. 10 s के लिए सोने की परत को खोदने के लिए एक सोने के etchant में नमूने विसर्जित; DI पानी के साथ कुल्ला और 10 मिनट के लिए एसीटोन में विसर्जित करके शेष photoresist परत को हटा दें (चित्रा 2 सी)।
  8. एसीटोन, आईपीए और डीआई पानी का उपयोग करके, नमूना धोएं; 30 मिनट के लिए 75 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म प्लेट पर सेंकना। फिर graphene चैनलों पैटर्न करने के लिए मुखौटा बी (पूरक चित्रा 1) का उपयोग कर दूसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया लागू होते हैं।
    नोट:: मास्क संरेखक (चित्रा 2D) में UV एक्सपोज़र सिस्टम को छोड़कर, पहले एक (चरण 2.4-2.6) के रूप में एक ही प्रक्रिया पैरामीटर का उपयोग करें।
  9. 10 s के लिए निकल परत को खोदने के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर निकल etchant में नमूना विसर्जित; डीआई पानी के साथ कुल्ला; एन 2 (चित्रा2 डी) का उपयोग करके सूखी उड़ाओ।
  10. प्लाज्मा एशर में नमूना रखें और ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग करके उजागर ग्राफीन को हटा दें (49 एससीसीएम पर ऑक्सीजन प्रवाह के साथ 90 एस के लिए 100 डब्ल्यू); उसके बाद, 10 मिनट (चित्रा 2E) के लिए एसीटोन में विसर्जित करके फोटोरेसिस्ट परत को हटा दें।
  11. एसीटोन, आईपीए, और डीआई पानी का उपयोग करके नमूना धोएं; 30 मिनट के लिए 75 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म प्लेट पर सेंकना और सब्सट्रेट पर अंतर्निहित ग्राफीन की रक्षा के लिए passivation photoresist परत के पैटर्निंग के लिए मुखौटा सी (पूरक चित्रा 1) का उपयोग करके तीसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया लागू करें। मास्क संरेखक (चित्रा 2F) में यूवी एक्सपोज़र सिस्टम को छोड़कर, पहले एक (चरण 2.4-2.6) के समान प्रक्रिया पैरामीटर का उपयोग करें।
  12. तीसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया के बाद, शेष निकल परत को हटाने के लिए 10 s के लिए 60 °C पर निकल etchant में नमूने को विसर्जित करें; तो DI पानी के साथ कुल्ला और एन2 (चित्रा 2 जी) का उपयोग कर सूखी उड़ा. अंत में, 30 मिनट (चित्रा 2H) के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर एक हॉटप्लेट पर नमूना बेक करें।

3. IgG का पता लगाने के लिए GFET के Functionalization

  1. नमूना-वितरण चैनल को इकट्ठा करें।
    1. सॉफ्ट लिथोग्राफी तकनीकों का उपयोग करके पीडीएमएस में नमूना-वितरण चैनल का निर्माणकरें।
    2. 30 s के लिए NaOH समाधान के 0.1 एम में graphene डिवाइस विसर्जित; डीआई पानी के साथ कुल्ला और पीडीएमएस अच्छी तरह से संरेखण और बंधन की सहायता के लिए डिवाइस की सतह पर एक पतली पानी की परत छोड़ दें। फिर ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग करके पीडीएमएस कुएं की सतह को सक्रिय करें।
    3. एक माइक्रोस्कोप के तहत नमूना वितरण चैनल और graphene डिवाइस संरेखित करें; बंधन की अनुमति देने के लिए 3 ज के लिए एक 60 डिग्री सेल्सियस ओवन में संरेखित डिवाइस जगह। असेंबल किए गए डिवाइस को चित्र 3A में दिखाया गया है।
  2. GFET Functionalize.
    1. IgG aptimaterer के साथ graphene सतह functionalize ( सामग्री की तालिका देखें). लोड करने के लिए और PDMS से प्रत्येक अभिकर्मक या बफर को अच्छी तरह से हटाने के लिए पिपेट्स का उपयोग करें। योजनाबद्ध प्रक्रिया को चित्र 4 में दिखाया गया है।
      नोट:: निम्न चरणों कमरे के तापमान पर संचालित किए गए थे।
    2. डीएमएसओ के साथ graphene सतह को तीन बार धोने के बाद, 1-पाइरेनी ब्यूटिरिक एसिड एन-hydroxysuccinimide एस्टर (PBASE, 10 mM DMSO में भंग, सामग्री की तालिका देखें) लागू करें और 2 ज के लिए रखें।
    3. डीएमएसओ के साथ कुल्ला करने के बाद, 5'एमिनो-संशोधित आईजीजी एपीटाइमर (1x पीबीएस में 20 μM) लागू करें, 3 घंटे के लिए इनक्यूबेट करें, और तीन बार 1x PBS के साथ कुल्ला करें।
    4. 1 घंटे के लिए graphene पर गोजातीय सीरम एल्ब्यूमिन (BSA, 10% w / v 1x PBS) लागू करें और तीन बार 1x PBS के साथ कुल्ला।

4. IgG का पता लगाने

  1. 0.01x PBS के साथ डिवाइस को तीन बार कुल्ला। PDMS को 0.01x PBS (डिटेक्शन बफर) (चित्रा 3A, B) के साथ अच्छी तरह से भरें।
  2. इलेक्ट्रोड को एक उच्च-प्रदर्शन पैरामीटर विश्लेषक के साथ कनेक्ट करें ( सामग्री की तालिका देखें)। स्रोत इलेक्ट्रोड को जमीन, नाली, और गेट इलेक्ट्रोड को स्रोत मापन इकाइयों (SMU 1 और SMU 2) से कनेक्ट करें, जो क्रमशः पैरामीटर विश्लेषक से सुसज्जित हैं (चित्रा 3 C)।
  3. माप पैरामीटर सेट अप करें और नमूना प्रक्रिया को चालू करें।
  4. लगातार नाली वर्तमान की निगरानी करके IgG के लिए EGGFET की प्रतिक्रिया का परीक्षण करें। विभिन्न सांद्रता के साथ 0.01x पीबीएस में IgG भंग, पता लगाने कक्ष में समाधान जोड़ें, और नाली वर्तमान लगातार निगरानी। डेटा सहेजें.

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Representative Results

प्रतिनिधि परिणाम क्रमशः रमन और एएफएम की विशेषता वाले स्थानांतरित सीवीडी ग्राफीन को दिखाते हैं। जी चोटी और रमन छवि के 2 डी चोटियों अस्तित्व और स्थानांतरित monolayer graphene32 (चित्रा 1) की गुणवत्ता के बारे में व्यापक जानकारी देते हैं। मानक लिथोग्राफी प्रक्रियाओं 30,31 को जीएफईटी डिवाइस बनाने के लिए लागू किया गया था, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। चित्रा 3 इकट्ठा PDMS नमूना वितरण कुओं और प्रयोगात्मक सेटअप के साथ गढ़े GFET से पता चलता है. पीडीएमएस को 10: 1 के वजन अनुपात में मिलाया गया था और पेट्री डिश में डाला गया था। फिर पीडीएमएस मिश्रण के साथ पूरे पकवान को 3 घंटे के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में बेक किया गया था। ठीक पीडीएमएस को पकवान से छील दिया गया था और एक घन (1 सेमी x 1 सेमी × 1 सेमी) में छंटनी की गई थी। अच्छी तरह से (6 मिमी व्यास) तो एक पंचर के साथ PDMS घन छिद्रण द्वारा बनाया गया था।

EGGFET द्वारा IgG का पता लगाने के लिए योजनाबद्ध कार्यात्मकता प्रक्रियाओं को चित्र 4 में दिखाया गया है, और चित्रा 5 विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट स्थितियों के तहत IgG का पता लगाने को दर्शाताहै। PBASE, graphene के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल functionalization अभिकर्मक, graphene के विद्युत गुणों को नुकसान पहुंचाए बिना एक π-π इंटरैक्शन24 के माध्यम से graphene सतह पर adsorbed किया जा सकता है (चित्रा 4A). एक 5'एमिनो-संशोधित IgG aptimaterer PBASE में प्रतिक्रियाशील N-hydroxysuccinimide (NHS) एस्टर और IgG aptimaer (चित्रा 4B) के 5'अंत पर अमाइन समूह के बीच एमाइड बॉन्ड लिंकेज द्वारा PBASE के साथ संयुग्मित है। बोवाइन सीरम एल्ब्यूमिन (बीएसए) इनक्यूबेशन, बायोसेंसर डिटेक्शन के लिए एक मानक दृष्टिकोण, 1x पीबीएस (चित्रा 4 सी) के साथ डिवाइस को धोने के बाद शेष असंयुग्मित साइटों को अवरुद्ध करने के लिए उपयोग किया गया था। एक अधिक विस्तृत चर्चा हमारे पहले प्रकाशित काम24 में पाया जा सकता है। Ag/AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड का पता लगाने के दौरान गेट क्षमता को परिभाषित करने के लिए लागू किया गया था। पता लगाने की सीमा, एकाग्रता सीमा है कि एक सेंसर मज़बूती से माप सकते हैं, EGGFET डिवाइस के लिए ~ 2-50 nM के आसपास होने के लिए निर्धारित किया जाता है। आईजीजी का पता लगाने और EGGFET की संवेदनशीलता और पता लगाने की सीमा में शामिल रासायनिक और माप सिद्धांतों के लिए अधिक विस्तृत चर्चा पहले24 की सूचना दी गई थी।

Figure 1
चित्रा 1: सीवीडी ग्राफीन को रमन और एएफएम स्पेक्ट्रोस्कोपी की विशेषता है। (ए) स्थानांतरित ग्राफीन के प्रतिनिधि रमन स्पेक्ट्रम। जी चोटी और 2 डी चोटियों प्राचीन graphene के प्रमुख चोटियों रहे हैं. (बी) graphene के प्रतिनिधि AFM छवि. AFM छवि में इसी ऊंचाई प्रोफाइल नीले धराशायी रेखा के साथ नीचे पैनल में दिखाए जाते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: graphene क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के योजनाबद्ध निर्माण. (A) मोनोलेयर graphene सिलिकॉन डाइऑक्साइड substrates पर स्थानांतरित कर दिया. (बी) निकल और गोल्ड स्थानांतरित graphene पर जमा किया. (सी) पहली फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया के बाद सोना उत्कीर्ण। (डी) दूसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया के बाद निकेल उत्कीर्ण। (ई) ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग करके असुरक्षित ग्राफीन को हटाना। (च) passivation layering और तीसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया का प्रदर्शन करने के लिए photoresist के साथ पैटर्न कोटिंग। (जी) तीसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया के बाद निकल उत्कीर्ण। (एच) निकल नक़्क़ाशी के बाद एनीलिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: IgG का पता लगाने के लिए डिवाइस और प्रयोगात्मक सेटअप। (A) EGGFET बायोसेंसर एक मानक Ag / AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड और एक PDMS के साथ अच्छी तरह से नमूना युक्त करने के लिए एकीकृत। (बी) graphene चैनल के बढ़े हुए दृश्य. (ग) एगएफईटी बायोसेंसर का उपयोग करके आईजीजी का पता लगाने के लिए परिपथ कनेक्शन का योजनाबद्ध आरेख। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: IgG का पता लगाने के लिए graphene सतह के functionalization. संदर्भ24 से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: विभिन्न diluents के तहत biomarker IgG करने के लिए EGGFET बायोसेंसर की प्रतिक्रिया। संदर्भ24 से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 1: फोटोलिथोग्राफी प्रक्रियाओं के लिए उपयोग किए जाने वाले मुखौटा डिजाइन। (ए) पहली फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया में उपयोग किया जाने वाला मुखौटा डिजाइन। इलेक्ट्रोड बढ़े हुए छवि A1 में आयामों के साथ दिए गए हैं। (बी) आयामों के साथ दूसरी फोटोलिथोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले मास्क डिजाइन। (सी) तीसरी फोटोलिथोग्राफी प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले मास्क डिजाइन। इलेक्ट्रोड को बढ़े हुए छवि C1 में आयामों के साथ दिया गया है। (डी) सभी तीन फोटोलिथोग्राफी प्रक्रियाओं का अंतिम उत्पाद और बढ़ी हुई छवि डी 1 इलेक्ट्रोड कॉन्फ़िगरेशन को दर्शाती है। आयामों के लिए इकाइयां मिलीमीटर (मिमी) में हैं। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।

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Discussion

तांबे की फिल्म पर खरीदे गए सीवीडी ग्राफीन को निम्नलिखित निर्माण चरणों के लिए सही आकार में छंटनी करने की आवश्यकता है। फिल्मों के काटने से झुर्रियां हो सकती हैं, जिसे रोकने की आवश्यकता है। निर्माण चरण में प्रदान किए गए मापदंडों को ग्राफीन के प्लाज्मा नक़्क़ाशी के लिए संदर्भित किया जा सकता है, और विभिन्न उपकरणों का उपयोग करते समय इन संख्याओं को अलग-अलग किया जा सकता है। उत्कीर्ण नमूने को बारीकी से निगरानी की जानी चाहिए और पूर्ण ग्राफीन नक़्क़ाशी सुनिश्चित करने के लिए निरीक्षण किया जाना चाहिए। कई पूर्व-सफाई विधियों को सब्सट्रेट को साफ करने के लिए लागू किया जा सकता है, जैसे कि एसीटोन में sonication, IPA, और 5 मिनट के लिए DI पानी, DI पानी रिंसिंग, और नाइट्रोजन गैस सुखाने या O2 प्लाज्मा के साथ उपचार (300 W, 5 मिनट के लिए ~ 100 sccm पर)। वाणिज्यिक फेरिक क्लोराइड कॉपर etchant का उपयोग करते समय तांबे की नक़्क़ाशी दर लगभग 1.25-1.67 माइक्रोन / मिनट है। नक़्क़ाशी प्रक्रिया के लिए निकट अवलोकन आवश्यक है। नक़्क़ाशी के बाद, DI पानी के साथ पर्याप्त rinsing की आवश्यकता होती है।

प्रोटोकॉल में उल्लिखित एसीटोन सफाई तकनीक इष्टतम अवशेषों की सफाई तकनीक है। प्लाज्मा सफाई मोनोलेयर graphene को नुकसान पहुंचाने का जोखिम है। तो, सबसे graphene परत के अनुकूल तकनीक एसीटोन सफाई है. लेकिन पीएमएमए अवशेषों को हटाना भी प्राथमिक महत्व का है क्योंकि यह बाद की प्रक्रियाओं को प्रभावित करता है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और एएफएम करने से ग्राफीन और पीएमएमए अवशेषों की वास्तविक समय की गुणवत्ता मिल सकती है। प्रोटोकॉल में उपयोग किए जाने वाले उपकरण और रसायन महत्वपूर्ण हैं क्योंकि ये सीधे निर्मित डिवाइस की गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं। इसलिए, उपकरणों की गुणवत्ता और रसायनों की वैधता की जांच और अद्यतन करने की आवश्यकता है।

PBASE को सूखा रखने और बायोरिसेप्टर functionalization के लिए hydrolysis से बचने के लिए -20 डिग्री सेल्सियस फ्रीजर में संग्रहीत करने की आवश्यकता है। संग्रहीत शीशी को खोलने से पहले कमरे के तापमान तक पहुंचने की आवश्यकता होती है; अन्यथा, पानी शीशी के अंदर संघनित हो सकता है और PBASE हाइड्रोलाइज़ कर सकता है। PBASE के 10 mM बनाने के लिए, PBASE समाधान के 100 mM को पहले DMSO के 1 mL में PBASE के 38.5 mg को भंग करके और फिर इसे 10 के कारक द्वारा पतला करके तैयार किया जाना चाहिए।

क्योंकि अभिकर्मकों और buffers जोड़ा या PDMS अच्छी तरह से में सीधे pipetting द्वारा हटा दिया गया था, पांडुलिपि में प्रदर्शित डिवाइस नकारात्मक नियंत्रण के साथ एक इन-साइट अंशांकन के लिए अनुमति नहीं होगी। एक multichannel सरणी एक ठीक से डिजाइन माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के साथ एकीकृत इस उद्देश्य के लिए आवश्यक होगा. डिवाइस का आगे का विकास, जैसे कि इसे एक पार्श्व प्रवाह मंच के साथ संयोजित करना, बिंदु-देखभाल अनुप्रयोगोंके लिए महान क्षमता प्रदान करेगा। इसके अलावा, ठोस और तरल के बीच इंटरफ़ेस महान वैज्ञानिक औरतकनीकी महत्व का विषय है। उदाहरण के लिए, जलीय मीडिया और ग्राफीन के विशेष मामले में, यह ग्राफीन के कई उभरते अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, उदाहरण के लिए, विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान35, ऊर्जा भंडारण और रूपांतरण36, पानी निस्पंदन37, और बायोसेंसिंग38। इंटरफ़ेस पर व्यवहार को उजागर करने के लिए आवश्यक वैज्ञानिक और तकनीकी महत्व है, विशेष रूप से ग्राफीन के गुणों और व्यावहारिक अनुप्रयोगों की सटीक और अधिक गहराई से समझ के लिए39,40।

वर्तमान कार्य में, EGGFET बायोसेंसर के विकास और बायोमार्कर डिटेक्शन में इसके अनुप्रयोग को प्रदर्शित करने के लिए एक इन-डिटेल प्रोटोकॉल प्रदान किया जाता है। पीएमएमए दृष्टिकोण द्वारा स्थानांतरित सीवीडी ग्राफीन के व्यावहारिक उपयोगों के लिए, एक साफ सतह प्राप्त करने के लिए पीएमएमए अवशेषों को पूरी तरह से हटाना महत्वपूर्ण है। विधि प्रभावी रूप से अंतर्निहित graphene जाली को संरक्षित करते हुए PMMA अवशेषों को हटा देती है। कार्यात्मक डिवाइस मानव IgG का पता लगाने के लिए लगातार परिणाम दिखाता है। इच्छुक शोधकर्ता इस प्रोटोकॉल का उपयोग विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए उपकरणों के निर्माण के लिए एक संदर्भ के रूप में कर सकते हैं, जैसे कि इंटरफ़ेस इंटरैक्शन का अध्ययन करना, बायोसेंसिंग, अन्य नैनोमैटेरियल्स का उपयोग करके समान उपकरणों को विकसित करना, आदि।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कोई प्रतिस्पर्धी हित या परस्पर विरोधी हित नहीं हैं।

Acknowledgments

वेस्ट वर्जीनिया विश्वविद्यालय में प्रयोग किए गए थे। हम डिवाइस निर्माण और सामग्री लक्षण वर्णन के लिए वेस्ट वर्जीनिया विश्वविद्यालय में साझा अनुसंधान सुविधाओं को स्वीकार करते हैं। इस कार्य को अनुदान संख्या के तहत यूएस नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था। NSF1916894.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-pyreneutyric acid N- hydroxysuccinimide ester Sigma Aldrich 457078-1G functionalization
Asylum MFP-3D Atomic Force Microscope Oxford Instruments graphene characterization
AZ 300 MIF MicroChemicals AZ 300 MIF photoresist developer
AZ 300 MIF MicroChemicals AZ 300 MIF photoresist
Bovine Serum Albumin Sigma Aldrich 810014 blocking
Branson 1210 Sonicator SONITEK sample cleaning
Copper Etchant Sigma Aldrich 667528-500ML removing copper film to release graphene
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) VWR 97063-136 functionalization
Disposable Biopsy Punches, Integra Miltex VWR 21909-144 create well in PDMS
Gold etchant Gold Etch, TFA, Transene 658148 enchant
Graphene Graphene supermarket 2" x 2" sheet biosensing element of the device
IgG aptamer Base Pair Biotechnologies customized bioreceptor
Keithley 4200A-SCS Parameter Analyzer Tektronix measurement and detection
KMG CR-6 KMG chemicals 64216 Chromium etchant
Kurt J. Lesker E-beam Evaporator Kurt J. Lesker metal deposition
Laurell Technologies 400 Spinners Laurell Technologies WS-400BZ-6NPP/LITE thin film coating
March PX-250 Plasma Asher March Instruments sample cleaning
Nickel etchant Nickel Etchant, TFB, Transene 600016000 etchant
OAI Flood Exposure OAI photolithography
Phosphate Buffered Saline (PBS) Sigma Aldrich 806552-500ML buffer
PMMA 495K A4 MicroChemicals PMMA 495K A4 Photoresist for assisting graphene transferring
Polydimethylsiloxane (PDMS) Sigma Aldrich Sylgard 184 sample delivery well
Renishaw InVia Raman Microscope Renishaw graphene characterization
Sodium Hydroxide (NaOH) Sigma Aldrich 221465-25G functionalization
Suss Microtech MA6 Mask Aligner Suss MicroTec photolithography
Thermo Scientific Cimarec Hotplate Thermo Scientific SP131635 sample and device Baking

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Ishraq, S., Sun, J., Liu, Y. Development and Functionalization of Electrolyte-Gated Graphene Field-Effect Transistor for Biomarker Detection. J. Vis. Exp. (180), e63393, doi:10.3791/63393 (2022).

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