Method Article

バイオマーカー検出のための電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタの開発と機能化

DOI:

10.3791/63393

⸱

February 1st, 2022

 ,  , 
1Lane Department of Computer Science and Electrical Engineering, West Virginia University, 2Beijing Graphene Institute

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本プロトコルは、電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)バイオセンサの開発と、バイオマーカー免疫グロブリンG(IgG)検出への応用を実証するものである。

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

現在の研究では、グラフェンおよびその誘導体が調査され、エレクトロニクス、センシング、エネルギー貯蔵、および光触媒を含む多くの用途に使用されている。高品質、良好な均一性、および低欠陥グラフェンの合成および製造は、高性能および高感度デバイスにとって重要である。多くの合成方法の中で、グラフェンを製造するための主要なアプローチと考えられている化学気相成長法(CVD)は、グラフェン層の数を制御し、高品質のグラフェンを収めることができる。CVDグラフェンは、それが成長した金属基板から絶縁性基板上に転写され、実用的な用途のために必要とされる。しかし、新しい基板へのグラフェンの分離および転写は、グラフェンの構造および特性を損傷または影響することなく均一な層にとって困難である。さらに、電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)は、その高感度と標準的なデバイス構成のために、様々な生体分子検出におけるその幅広い用途のために実証されている。本稿では、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)支援グラフェン転写アプローチ、グラフェン電界効果トランジスタ(GFET)の作製、バイオマーカー免疫グロブリンG(IgG)検出について紹介する。転写されたグラフェンを特徴付けるために、ラマン分光法および原子間力顕微鏡法を適用した。この方法は、エレクトロニクスまたはバイオセンシングアプリケーション用の絶縁基板上に基礎となるグラフェン格子を維持しながら、クリーンで残留物のないグラフェンを転写するための実用的なアプローチであることが示されている。

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

グラフェンおよびその誘導体は、エレクトロニクス1,2、センシング3,4,5、エネルギー貯蔵6,7、および光触媒1,6,8を含む多くの用途に調査され、使用されている。高品質、良好な均一性、および低欠陥グラフェンの合成および製造は、高性能および高感度デバイスにとって重要である。2009年の化学気相成長(CVD)の開発以来、それは巨大な約束を示し、グラフェンファミリー9、10、11、12、13の不可欠なメンバーとしてその場所を設定しました。これは、金属基板上に成長し、後に実用化のために、絶縁性基板14上に転写される。CVDグラフェンを転写するために、いくつかの転写方法が最近使用されている。ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)支援法は、異なる技術の中で最も使用されている。この方法は、その大規模な能力、低コスト、および転写グラフェン14、15の高品質のために、工業的使用に特に適している。この方法の重要な側面は、CVDグラフェンの用途のためにPMMA残基を取り除くことであり、残留物はグラフェン14,15,16の電子特性の偏角を引き起こし、バイオセンサの感度および性能に影響を与え、17,18、およびデバイス間の著しい変動を引き起こす可能性がある19。

ナノ材料ベースのバイオセンサは、シリコンナノワイヤ(SiNW)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン20など、過去数十年にわたって大幅に研究されてきました。グラフェンは、その単原子層構造と独特の特性により、優れた電子特性、良好な生体適合性、容易な機能化を示し、バイオセンサ14、21、22、23の開発に魅力的な材料となっている。高感度、標準構成、費用対効果の高い大量生産性などの電界効果トランジスタ(FET)特性21,24により、FETは他のエレクトロニクスベースのバイオセンシングデバイスよりもポータブルおよびポイントオブケア実装においてより好ましい。電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)バイオセンサは、述べられたFET21、24の例である。EGGFETは、核酸25、タンパク質24、26、代謝産物27、および他の生物学的に関連する分析物28などの様々な標的化分析物を検出することができる。ここで言及される技術は、他のバイオセンシングデバイス29よりも高感度かつ正確な時間検出を提供するラベルフリーのバイオセンシングナノエレクトロニクスデバイスにおけるCVDグラフェンの実装を保証する。

この研究では、CVDグラフェンを絶縁基板、ラマンに転写すること、および転写されたグラフェンのAFM特性評価を含む、EGGFETバイオセンサを開発し、バイオマーカー検出のためにそれを機能化するための全体的なプロセスを実証する。さらに、EGGFETの作製およびポリジメチルシロキサン(PDMS)サンプル送達ウェルとの統合、生体受容体機能化、およびスパイクおよび回収実験による血清からのヒト免疫グロブリンG(IgG)の検出の成功もここで議論される。

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Protocol

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1. グラフェンの化学気相成長の移送

  1. 銅基板上のグラフェンシートをハサミで半分(2.5 cm x 5 cm)に切ります。耐熱テープを貼り、グラフェン四角の四隅をスピナーガスケットに固定します( 材料表参照)。
    注:購入したグラフェンの寸法は5cm x 5cmです( 材料表を参照)。
  2. グラフェンのシートを、PMMA 495K A4の薄層(100〜200nm)でスピンコートし、500rpmで10秒間回転させ、次に2000rpmで50秒間回転させる。その後、サンプルを150°Cで5分間ベークする。
  3. グラフェンの裏面を酸素プラズマ( 材料表を参照)で30W、15sccmで5分間除去する。
  4. プラズマ処理したグラフェンを正方形の正方形に切断し、デバイス作製用です。
  5. 事前に洗浄した基板(SiO2)を、おおよその寸法2.5 cm x 2 cmの小片に切ります。
  6. 市販のグラフェンエッチャント(塩化第二鉄)を使用して銅をエッチングオフします( 材料表を参照)。エッチャントを希釈しないでください。銅側を下にしてPMMA側を上にしてサンプルを液体エッチング液に浮かべます。
  7. 銅エッチング後、プラズマ処理基板を用いてグラフェン膜をゆっくりと持ち上げる。
  8. 転写したグラフェンを2時間風乾し、次いで80°Cで15分間焼成する。
  9. 以下の手順に従って PMMA を削除します。
    1. アセトン蒸気でサンプルを70°Cでウォームアップする。 サンプルをアセトン蒸気の上から約2cm上に4分間保ち、PMMA側を下向きにします。次いで、試料をアセトンに5分間浸漬する。
    2. 試料をDI水で注意深く洗浄し、転写したグラフェンを顕微鏡下で観察する。最後に、試料をN2で穏やかにブロードライする。
    3. 原子間力顕微鏡(AFM)観察を行い、PMMA残基を含まないグラフェンを確保した。PMMA残留物が画像に写っている場合は、アセトン蒸気洗浄と浸漬をもう一度行います。
  10. ラマンおよびAFM特性評価を行い、グラフェン転移の単層を確認し、表面特性を観察します(図1A、B)。

2. グラフェン電界効果トランジスタ(GFET)の作製

  1. アセトン、IPA、およびDI水を用いて転写されたグラフェンで基板を洗浄する。その後、基板を75°Cのホットプレート上で30分間ベークします(図2A)。
  2. Eビーム蒸発器30 ( 材料表参照)を用いて、グラフェン試料上に5nmニッケルおよび45nm金を堆積させる(図2B)。
  3. 電極のパターニングのためにマスクA(補足図1)を用いた第1のフォトリソグラフィー30プロセスを適用する(図2C)。
  4. ポジ型フォトレジスト(AZ 5214E、 材料表参照)をサンプル(2000rpmで45秒)にスピンさせ、120°Cで1分間サンプルを硬化させた。
  5. サンプルをUVフラッド露光システムに入れ、200mJ/cm2以下で約10秒間露光します。
  6. サンプルをフォトレジスト現像液(AZ300 MIF、 材料表を参照)で約2分間現像し、DI水ですすいでください。
  7. サンプルを金のエッチング液に浸して、金の層を10秒間エッチングします。DI水ですすぎ、アセトンに10分間浸漬して残りのフォトレジスト層を除去した(図2C)。
  8. アセトン、IPA、およびDI水を使用して、サンプルを洗浄する。75°Cのホットプレート上で30分間焼く。次いで、マスクB(補足図1)を用いて第2のフォトリソグラフィープロセスを適用し、グラフェンチャネルをパターニングする。
    メモ:マスクアライナーのUV露光システムを除き、最初のプロセスパラメータ(ステップ2.4~2.6)と同じプロセスパラメータを使用します(図2D)。
  9. サンプルを60°Cのニッケルエッチング液に浸して、ニッケル層を10秒間エッチングする。DI水ですすいでください。N2を用いてブロードライする(図2D)。
  10. サンプルをプラズマアッシャーに入れ、酸素プラズマ(49sccmで酸素流で90秒間100W)を使用して露出したグラフェンを除去する。その後、アセトンに10分間浸漬してフォトレジスト層を除去した(図2E)。
  11. アセトン、IPA、およびDI水を使用してサンプルを洗浄する。75°Cのホットプレート上で30分間ベークし、パッシベーションフォトレジスト層のパターニングのためにマスクC(補足図1)を用いて第3のフォトリソグラフィープロセスを適用し、基板上の下地グラフェンを保護する。マスクアライナーのUV露光システムを除き、最初のプロセスパラメータ(ステップ2.4-2.6)と同じプロセスパラメータを使用します(図2F)。
  12. 第3のフォトリソグラフィー工程の後、試料をニッケルエッチング液に60°Cで10秒間浸漬し、残りのニッケル層を除去する;その後、DI水ですすぎ、N2 を使用してブロードライします(図2G)。最後に、サンプルをホットプレート上で120°Cで30分間ベークします(図2H)。

3. IgG 検出のための GFET の機能化

  1. サンプル配信チャネルを組み立てます。
    1. ソフトリソグラフィー技術31を用いてPDMSにおけるサンプル送達チャネルを作製する。
    2. グラフェンデバイスを0.1MのNaOH溶液に30秒間浸漬する。DI水ですすぎ、デバイス表面に薄い水層を残して、PDMSウェルの位置合わせと接着を支援します。次に、酸素プラズマを使用してPDMSウェルの表面を活性化します。
    3. 試料送達チャネルおよびグラフェン装置を顕微鏡下で整列させる。位置合わせした装置を60°Cのオーブンに3時間置き、接合を可能にする。組み立てられた装置を 図3Aに示す。
  2. GFET を機能化します。
    1. グラフェン表面をIgGアプタマーで官能化する( 材料表を参照)。ピペットを使用して、PDMSウェルに各試薬またはバッファーをロードして除去します。その概略プロセスを 図4に示します。
      注:次の手順は室温で操作しました。
    2. グラフェン表面をDMSOで3回リンスした後、1-ピレン酪酸N-ヒドロキシスクシンイミドエステル(PBASE、DMSOに溶解した10mM、 材料表参照)を塗布し、2時間保持する。
    3. DMSOでリンスした後、5'-アミノ修飾IgGアプタマー(1x PBS中で20μM)を塗布し、3時間インキュベートし、1x PBSで3回リンスする。
    4. ウシ血清アルブミン(BSA、1x PBS中で10%w/v)をグラフェンに1時間塗布し、1x PBSで3回すすいだ。

4. IgG 検出

  1. デバイスを0.01x PBSで3回すすいでください。PDMSを0.01x PBS(検出バッファ)でよく満たします(図3A、B)。
  2. 高性能パラメータアナライザで電極を接続します( 材料表を参照)。ソース電極をグランド、ドレイン、およびゲート電極にそれぞれパラメータアナライザを備えたソース測定ユニット(SMU 1およびSMU 2)に接続します(図3C)。
  3. 測定パラメータを設定し、サンプリングプロセスをオンにします。
  4. ドレイン電流を継続的に監視することにより、IgGに対するEGGFETの応答をテストします。IgGを異なる濃度の0.01x PBSに溶解し、溶液を検出チャンバに追加し、ドレイン電流を連続的に監視する。データを保存します。

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Results

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代表的な結果は、それぞれラマンおよびAFMによって特徴付けられる転写されたCVDグラフェンを示す。ラマン画像のGピークおよび2Dピークは、転写された単層グラフェン32の存在および品質に関する包括的な情報を与える(図1)。標準的なリソグラフィープロセス30、31は、図2に示すようにGFETデバイスを作製するために適用された。図3は、組み立てられたPDMSサンプル送達ウェルを用いて作製されたGFETおよび実験セットアップを示す。PDMSを10:1の重量比で混合し、ペトリ皿にキャストした。次いで、PDMS混合物でディッシュ全体を60°Cのオーブンで3時間焼成した。硬化したPDMSをディッシュから剥がし、立方体(1cm×1cm×1cm)にトリミングした。その後、PDMSキューブをパンチャーで打ち抜くことに...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

銅膜上の購入したCVDグラフェンは、次の製造ステップのために適切なサイズにトリミングする必要があります。フィルムの切断はしわを引き起こす可能性があり、これは防止する必要があります。製造工程で提供されるパラメータは、グラフェンのプラズマエッチングのために参照することができ、これらの数値は、異なる機器を使用する場合に変化させることができる。エッチングされたサンプルは、完全なグラフェンエッチングを確実にするために、綿密に監視および検査されなければなりません。アセトン、IPA、およびDI水での超音波処理、DI水すすぎ、窒素ガス乾燥またはO2 プラズマによる処理(300W、〜100sccmで5分間)など、複数の予備洗浄方法を適用して基板を洗浄することができます。銅エッチングレートは、市販の塩化第二鉄銅エッチング液を使用しながら、約1.25〜1.67ミクロン/分である。エッチング工程には綿密な観察が必要である。エッチングに続いて、DI水で十分なすすぎが必要です。

プロトコルに記載されているアセトン洗浄技術は、最適な残留物洗浄技術です。プラズマ洗浄は、単層グラフェンに害を及...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者らは、開示する競合する利益または相反する利益を有していない。

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

実験はウェストバージニア大学で行われました。我々は、デバイス製造及び材料特性評価のためのウェストバージニア大学の共有研究施設を認識する。この研究は、米国国立科学財団の助成金Noの下で支援されました。NSF1916894。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1-ピレンニューチリン酸 N- ヒドロキシスクシンイミド エステルSigma Aldrich457078-1G官能基化
アサイラム MFP-3D 原子間力顕微鏡オックスフォード・インスツルメンツグラフェン特性評価
AZ 300 MIF マイクロケミカルズ AZ 300MIFフォトレジスト現像
AZ 300 MIFケミカルAZ 300 MIFフォトレジスト
ウシ血清アルブミンシグマAldrich810014ブロッキング
ブランソン1210ソニケーターSONITEKサンプルクリーニング
銅エッチング液シグマAldrich667528-500MLフェン
ジメチルスルホキシド(DMSO)VWR97063-136官能化
生検パンチ、インテグラミルテックスVWR21909-144、PDMS
ゴールドエッチング、ゴールドエッチング、TFA、トランセン658148エンチャント
グラフェン、グラフェンスーパーマーケット2"×2"シートセンシング要素
IgGアプタマー、ベースペア、カスタマイズされたバイオレセプター
、ケースレー、ケース、SCSパラメータアナライザ、Tektronix測定でよく作成します検出
KMG CR-6KMG 化学薬品64216クロムエッチング液
カート J. レスカー 電子ビーム蒸発器カート J. レスカー金属堆積
ローレルテクノロジーズ 400 スピナーローレルテクノロジーWS-400BZ-6NPP/LITE薄膜コーティング
マーチ PX-250 プラズマアッシャーマーチ機器サンプルクリーニング
ニッケルエッチング液ニッケルエッチング液、TFB、トランセン600016000エッチング液
OAI フラッドエクスポージャーOAIフォトリソグラフィー
リン酸緩衝生理食塩水 (PBS)Sigma Aldrich806552-500MLバッファー
PMMA 495K A4MicroChemicalsPMMA 495K A4グラフェン移動補助用フォトレジスト
ポリジメチルシロキサン (PDMS)Sigma AldrichSylgard 184サンプル送達井
レニショー InVia ラマン顕微鏡レニショーグラフェン特性評価
水酸化ナトリウム (NaOH)Sigma Aldrich221465-25G官能基化
Suss Microtech MA6 マスクアライナーSuss MicroTecフォトリソグラフィー
Thermo Scientific Cimarec ホットプレートThermo ScientificSP131635サンプルとデバイスベーキング
液 マイクロズ グラ使い捨てはバイオ、デバイスバイオテクノロジーズ

References

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