פיתוח ופונקציונליזציה של טרנזיסטור שדה-אפקט גרפן מגודר אלקטרוליטים לזיהוי סמנים ביולוגיים
1 בפברואר 2022
הפרוטוקול הנוכחי מדגים את הפיתוח של ביוסנסור טרנזיסטור אפקט שדה גרפן מגודר אלקטרוליטים (EGGFET) ויישומו בזיהוי אימונוגלובולין G (IgG) של סמנים ביולוגיים.
השיטה מסירה ביעילות שאריות PMMA תוך שמירה על סריג הגרפן הבסיסי. המכשיר הפונקציונלי מראה תוצאות עקביות באיתור נוגדני IgG בסרום הדם. כמו כן, הפרוטוקול מבטיח יישום של גרפן CVD בהתקן ביוסנסינג בזמן אמת, ללא תוויות.
השלבים הם די פשוטים וניתן לעשות זאת עם הכשרה מינימלית. המכשיר מציע סלקטיביות גבוהה, רגישות גבוהה וזיהוי בזמן אמת על פני מכשירי ביוסנסינג אחרים התחל על ידי חיתוך יריעת הגרפן על מצע נחושת לשניים באמצעות אזמל. יש למרוח סרט הדבקה עמיד בחום כדי לתקן את ארבע הפינות של ריבוע הגרפן על אטם ספינר.
ספין מצפה את היריעה המרובעת של הגרפן בשכבה דקה של 100 עד 200 ננומטרים של PMMA 495K A4, מסתובב ב-500 סיבובים לדקה למשך 10 שניות, ולאחר מכן 2, 000 סיבובים לדקה למשך 50 שניות. לאחר מכן, אופים את הדגימה ב 150 מעלות צלזיוס במשך חמש דקות. הסר את החלק האחורי של הגרפן עם פלזמת חמצן ב 30 וואט באמצעות זרימת קצב של 15 סנטימטרים מעוקבים סטנדרטיים לדקה במשך חמש דקות.
חותכים את ריבוע הגרפן שטופל בפלזמה לממדים של רוחב של סנטימטר אחד וגובה של שני סנטימטרים לייצור המכשיר. חותכים את מצע הסיליקה המנוקה מראש לחתיכות קטנות ברוחב של כארבעה סנטימטרים ובגובה של שני סנטימטרים. חרטו את הנחושת באמצעות חריטת הגרפן ברזל כלוריד ללא דילול.
צפו את הדגימה עם צד הנחושת למטה וה-PMMA בצד כלפי מעלה על החריטה הנוזלית. לאחר תחריט נחושת, הרימו את סרט הגרפן באיטיות באמצעות המצע שטופל בפלזמה. אוויר לייבש את סרט הגרפן המועבר במשך שעתיים, ולאחר מכן לאפות על צלחת חמה.
כדי להסיר את PMMA, התחל על ידי חימום הדגימה עם אדי אצטון בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס על ידי שמירה על הדגימה בערך שני סנטימטרים מעל אדי אצטון במשך ארבע דקות כאשר צד ה- PMMA פונה כלפי מטה. לאחר מכן, לטבול את הדגימה באצטון במשך חמש דקות. לשטוף את הדגימה עם מים deionized בזהירות.
לבסוף, לפוצץ בעדינות לייבש את הדגימה עם חנקן. לשטוף את המצע עם הגרפן המועבר באמצעות אצטון, אלכוהול איזופרופיל ומים שעברו דה-יוניזציה. לאחר מכן, אופים את המצע על צלחת חמה ב 75 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות.
באמצעות מאייד קרן אלקטרונים, ניקל הפקדה וזהב בעובי של 5 ו -45 ננומטר, בהתאמה, על דגימת הגרפן. החל את תהליך הפוטוליתוגרפיה הראשון באמצעות מסיכה A לצורך סידור האלקטרודות. ספין AZ 5214E חיובי photoresist על הדגימה ב 2, 000 סיבובים לדקה במשך 45 שניות ולרפא את הדגימה ב 120 מעלות צלזיוס במשך דקה אחת.
ממקמים את הדגימה במערכת החשיפה להצפות אולטרה סגולות וחושפים אותה למשך כ-10 שניות מתחת ל-200 מילז'ולים לסנטימטר מרובע. פתח את הדגימה עם מפתח פוטורסיסט AZ 300 MIF למשך כשתי דקות ולאחר מכן שטפו במים שעברו דה-יוניזציה. לטבול את הדגימה בתחריט זהב כדי לחרוט את שכבת הזהב למשך 10 שניות, לשטוף במים שעברו דה-יוניזציה ולהסיר את השכבה הפוטורסיסטית הנותרת על ידי טבילה באצטון למשך 10 דקות.
באמצעות אצטון, אלכוהול איזופרופיל ומים שעברו דה-יוניזציה, שטפו את הדגימה ולאחר מכן אפייה על צלחת חמה בטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות. לאחר מכן, החל את תהליך הפוטוליתוגרפיה השני באמצעות מסיכה B כדי לעצב את ערוצי הגרפן. לטבול את הדגימה בתחריט ניקל ב 60 מעלות צלזיוס כדי לחרוט את שכבת הניקל במשך 10 שניות.
יש לשטוף במים שעברו דה-יוניזציה ולהתייבש באמצעות חנקן. מניחים את הדגימה בפלזמה אשר ומסירים את הגרפן החשוף באמצעות פלזמת חמצן. מאוחר יותר, הסר את השכבה הפוטורסיסטית על ידי טבילה באצטון למשך 10 דקות.
שטפו את הדגימה באמצעות אצטון, IPA ומים שעברו דה-יוניזציה ואופים על צלחת חמה בטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות. החל את תהליך הפוטוליתוגרפיה השלישי באמצעות מסיכה C כדי לעצב את שכבת הפוטו-ריסט של הפסיביציה כדי להגן על הגרפן הבסיסי על המצע. השתמש באותם פרמטרים של תהליך שהוזכרו קודם לכן, כולל סיבוב עם פוטוריסט חיובי, ריפוי המדגם ופיתוח עם מפתח פוטורסיסט.
מאוחר יותר, לטבול את הדגימה בתחריט ניקל ב 60 מעלות צלזיוס במשך 10 שניות כדי להסיר את שכבת הניקל הנותרת, ולאחר מכן לשטוף עם מים deionized לנשוף יבש באמצעות חנקן. לבסוף, אופים את הדגימה על צלחת חמה ב 120 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות. התוצאות הייצוגיות מראות את הגרפן CVD המועבר המאופיין ברמאן ובמיקרוסקופיה של הכוח האטומי.
פסגת G והפסגות הדו-ממדיות של תמונת ראמאן נותנות מידע מקיף על קיומו ואיכותו של הגרפן החד-שכבתי המועבר. האיור מראה ביוסנסור EEG FET משולב עם אלקטרודת ייחוס כסף סטנדרטית בכסף כלוריד וקידוח פולידימתיל סילוקסן להכלת הדגימה. יתר על כן, התצוגה המוגדלת של תעלת הגרפן מדגימה את החיבור לאלקטרודת המקור לקרקע, לניקוז ולאלקטרודות השער למקור.
PBASE, מגיב פונקציונליזציה נפוץ עבור גרפן, יכול להיספג על פני השטח של גרפן באמצעות אינטראקציה pi-pi מבלי לפגוע בתכונות החשמליות של גרפן. אפטמר IgG בעל 5 פריימים שעבר שינוי אמינו מצומד עם PBASE על ידי קשרי הקשרים האמידיים בין אסטר ה-IgG הריאקטיבי להידרוקסי-6 סינמיד ב-PBASE, לבין קבוצת האמין בקצה ה-5-prime של אפטמר ה-IgG. דגירה של אלבומין בסרום בקר שימשה לחסימת האתרים הנותרים שאינם מחוברים לאחר שטיפת המכשיר עם PBS חד-חוזק האיור מראה את זיהוי ה-IgG בתנאי אלקטרוליטים שונים.
איכות הגרפן היא המפתח לביצועים הטובים ביותר של מכשיר זה. לכן במהלך תחריט פלזמה, יש להבטיח כי הפלזמה אינה פוגעת באזורים השימושיים של הגרפן. כמו כן, יש לנקות את שאריות ה-PMMA לחלוטין כדי לקבל משטח גרפן נקי.
המכשיר הפונקציונלי מראה תוצאות עקביות באיתור נוגדן IgG אנושי, כך שההליך יכול לשמש כהפניה לבניית מכשירים עם ננו-חומרים אחרים כדי לחקור אינטראקציות ממשק וביוסנסינג.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
הפרוטוקול הזה מדגים את הפיתוח של חיישן ביולוגי בטרנזיסטור שדה גרפן מופעל אלקטרוליט (EGGFET) לזיהוי סמני חלבון G של אימונוגלובולינים (IgG). השיטה מבטיחה סלקטיביות ורגישות גבוהות תוך אפשרות לגילוי ביולוגי בזמן אמת וללא תווית.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביוטכנולוגיה
- אלקטרוניקה
רקע
- גרפן הוא חומר מבטיח ליישומים של חיישנים ביולוגיים.
- טרנזיסטורים מופעלים אלקטרוליט יכולים לשפר את הביצועים של חיישנים ביולוגיים.
- אימונוגלובולינים G (IgG) הם סמן ביולוגי חיוני במחלות שונות.
- גילוי בזמן אמת הוא חיוני לאבחון יעיל.
מטרת המחקר
- לפתח חיישן ביולוגי באמצעות טכנולוגיית EGGFET.
- להדגים את יישום החיישן בגילוי IgG.
- לספק פרוטוקול פשוט שחוקרים יוכלו לעקוב אחריו.
שיטות ששימשו
- חיתוך יריעות גרפן על מצע נחושת.
- החלת סרט עמיד בחום לביטחון הגרפן.
- שימוש בגרפן CVD לייצור מכשירים.
- בדיקת המכשיר עם דגימות סרום דם לגילוי IgG.
תוצאות עיקריות
- המכשיר מראה תוצאות עקביות בזיהוי נוגדני IgG.
- סלקטיביות ורגישות גבוהה הושגו.
- אושרו יכולות גילוי בזמן אמת.
- השיטה מסירה ביעילות שאריות PMMA מבלי לפגוע בגרפן.
מסקנות
- חיישן ה-EGGFET הוא כלי מבטיח לגילוי סמנים ביולוגיים.
- הוא מציע יתרונות על פני שיטות חיישנים ביולוגיות מסורתיות.
- יישום פשוט הופך אותו לנגיש לחוקרים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This protocol enables the development of a label-free, real-time biosensor for detecting immunoglobulin G (IgG) biomarkers using electrolyte-gated graphene field-effect transistors (EGGFETs). The method supports early-stage target validation by providing a sensitive, reproducible platform for monitoring biomolecular interactions in complex biological matrices such as blood serum. By ensuring clean graphene transfer and effective functionalization, the approach enhances predictive confidence in biomarker detection assays, facilitating go/no-go decisions in discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of IgG biomarker interactions with high sensitivity and selectivity in native biological samples.
- Operational Value: Provides a label-free detection method that reduces assay complexity and eliminates the need for fluorescent or enzymatic tags.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by allowing real-time monitoring of binding kinetics and affinity under physiological electrolyte conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers quantitative, real-time electrical readouts that enable dose-response analysis and binding specificity screening.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility through standardized graphene transfer and PMMA residue removal, minimizing batch-to-batch variability.
- Scalability: Supports platform reuse across multiple biomarker targets via adaptable surface functionalization with aptamers or antibodies.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by enabling IgG detection in disease-relevant sample types like human blood serum.
- Risk-Adjusted Advancement: Generates reliable biomarker signal data that inform preclinical candidate selection and assay qualification.
- Disease-Relevant System: Demonstrates functionality in clinically relevant matrices, supporting extrapolation to diagnostic and therapeutic monitoring applications.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the early discovery continuum, supporting hypothesis testing in target validation and enabling scalable assay development for lead identification stages.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis-driven screening of biomolecular interactions by detecting target binding in real time without labels.
- Screening: Produces standardized, quantitative outputs suitable for hit confirmation and selectivity profiling in antibody or aptamer-based assays.
- Analytics: Generates electrical signal measurements (e.g., conductance shifts) that allow comparison of binding responses across conditions and analytes.
- Translational Research: Supports continuity into preclinical work by validating biomarker detection in native biological fluids.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable biosensor platform adaptable to various biomarkers through modular surface functionalization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances target validation confidence through sensitive, label-free detection of IgG in complex samples.
- Operational Value: Improves reproducibility via controlled graphene transfer and effective cleaning protocols that preserve lattice integrity.
- Strategic Value: Enables faster, data-driven go/no-go decisions by delivering real-time binding data early in discovery.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of biomarker targets based on quantifiable, reproducible assay performance.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, photolithography, and graphene handling for successful device production.
- Depends on access to electron beam evaporators, plasma etchers, and spin coaters for electrode deposition and patterning.
- Necessitates standardization of functionalization and blocking steps (e.g., PBASE-IgG aptamer conjugation, BSA blocking) across users and labs.
- Involves adaptation considerations when extending the platform to other biomarkers or nanomaterial interfaces.
- Includes practical limitations such as the need for careful plasma etching to avoid damaging graphene and thorough PMMA removal to ensure signal fidelity.
