Method Article

바이오마커 검출을 위한 전해질 게이팅 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 개발 및 기능화

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

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

본 프로토콜은 전해질 게이팅된 그래핀 전계 효과 트랜지스터(EGGFET) 바이오센서의 개발 및 바이오마커 면역글로불린 G(IgG) 검출에서의 이의 응용을 입증한다.

Abstract

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

현재 연구에서 그래핀과 그 유도체는 전자 제품, 감지, 에너지 저장 및 광촉매를 포함한 많은 응용 분야에 조사되고 사용되었습니다. 고품질, 우수한 균일 성 및 낮은 결함 그래핀의 합성 및 제조는 고성능 및 고감도 장치에 중요합니다. 많은 합성 방법 중에서 그래핀 제조에 대한 선도적 인 접근 방식으로 간주되는 화학 기상 증착 (CVD)은 그래핀 층의 수를 제어하고 고품질 그래핀을 생산할 수 있습니다. CVD 그래핀은 실제 적용을 위해 성장되는 금속 기판에서 절연 기판으로 옮겨야합니다. 그러나 그래핀을 새로운 기판으로 분리하고 전달하는 것은 그래핀의 구조와 특성을 손상시키거나 영향을 미치지 않으면서 균일한 층을 만드는 데 어려움이 있다. 또한, 전해질 게이팅된 그래핀 전계 효과 트랜지스터(EGGFET)는 높은 감도와 표준 장치 구성으로 인해 다양한 생체분자 검출에서 광범위한 응용 분야에서 입증되었습니다. 이 기사에서는 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)-보조 그래핀 전사 접근법, 그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)의 제조 및 바이오마커 면역글로불린 G(IgG) 검출에 대해 설명한다. 라만 분광법 및 원자력 현미경을 적용하여 전사된 그래핀을 특성화하였다. 이 방법은 전자 또는 바이오 센싱 응용 제품을 위해 기본 그래핀 격자를 절연 기판 상에 보존하면서 깨끗하고 잔류물이 없는 그래핀을 이송하기 위한 실용적인 접근법으로 보여진다.

Introduction

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

그래핀 및 그 유도체는 전자 장치 1,2, 감지 3,4,5, 에너지 저장 6,7 및 광촉매 1,6,8을 포함한 많은 응용 분야에 대해 조사되고 사용되었습니다. 고품질, 우수한 균일 성 및 낮은 결함 그래핀의 합성 및 제조는 고성능 및 고감도 장치에 중요합니다. 2009 년 화학 기상 증착 (CVD)의 개발 이후, 그것은 엄청난 약속을 보여 주었고 그래핀 제품군 9,10,11,12,13의 필수 구성원으로 자리 매김했습니다. 그것은 금속 기판 상에서 성장되고, 나중에 실용적인 용도를 위해, 절연 기판(14) 상으로 이송된다. 최근 CVD 그래핀을 전사하기 위해 여러 가지 전사 방법이 사용되고 있다. 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 보조 방법이 상이한 기술들 중에서 가장 많이 사용된다. 이 방법은 전사된 그래핀14,15의 대규모 능력, 저렴한 비용 및 높은 품질 때문에 산업 용도에 특히 매우 적합하다. 이 방법의 중요한 측면은 CVD 그래핀의 응용을 위한 PMMA 잔류물을 제거하는 것인데, 그 이유는 잔류물이 그래핀 14,15,16의 전자적 특성의 감소를 야기할 수 있고, 바이오센서의 감도 및 성능(17,18)에 영향을 미칠 수 있고, 상당한 장치 대 장치 변동(19)을 야기할 수 있기 때문이다.

나노 물질 기반 바이오 센서는 실리콘 나노 와이어 (SiNW), 탄소 나노 튜브 (CNT) 및 그래핀20을 포함하여 지난 수십 년 동안 크게 조사되었습니다. 단일 원자 층 구조와 독특한 특성으로 인해 그래핀은 우수한 전자 특성, 우수한 생체 적합성 및 용이한 기능화를 보여 주므로 바이오 센서14,21,22,23 개발에 매력적인 재료입니다. 고감도, 표준 구성 및 비용 효율적인 질량 생산성(21,24)과 같은 전계 효과 트랜지스터(FET) 특성으로 인해, FET는 다른 전자 기반 바이오센싱 장치보다 휴대용 및 POS(point-of-care) 구현에서 더 바람직하다. 전해질-게이팅된 그래핀 전계 효과 트랜지스터(EGGFET) 바이오센서는 언급된 FETs21,24의 예이다. EGGFET은 핵산 25, 단백질 24,26, 대사산물 27 및 기타 생물학적으로 관련된 분석물(28)과 같은 다양한 표적화 분석물을 검출할 수 있다. 여기에 언급된 기술은 다른 바이오센싱 장치(29)보다 더 높은 감도와 정확한 시간 검출을 제공하는 라벨이 없는 바이오센싱 나노전자 장치에서 CVD 그래핀의 구현을 보장한다.

이 연구에서는 CVD 그래핀을 절연 기판으로 옮기는 것을 포함하여 EGGFET 바이오 센서를 개발하고 바이오마커 검출을 위해 기능화하기 위한 전반적인 프로세스, 라만, 그리고 전사된 그래핀의 AFM 특성화가 입증된다. 또한, EGGFET의 제조 및 폴리디메틸실록산 (PDMS) 샘플 전달과의 통합, 바이오리셉터 기능화, 및 스파이크-및-회수 실험에 의한 혈청으로부터의 인간 면역글로불린 G (IgG)의 성공적인 검출이 또한 여기에서 논의된다.

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Protocol

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

1. 그래핀의 화학기상증착 전사

  1. 가위를 사용하여 구리 기판 위에 그래핀 시트를 반으로 자릅니다 (2.5 cm x 5 cm). 내열성 테이프를 적용하여 그래핀 사각형의 네 모서리를 스피너 개스킷에 고정 시킵니다(재료 표 참조).
    참고 : 구입 한 그래 핀의 치수는 5cm x 5cm 입니다 (재료 표 참조).
  2. 그래핀 시트를 PMMA 495K A4의 박층(100-200 nm)으로 스핀 코팅하여 50 s 동안 500 rpm에서 10 초 동안 회전시킨 다음 2000 rpm으로 스핀 코팅한다. 그 다음 샘플을 150°C에서 5분 동안 베이킹한다.
  3. 그래핀의 뒷면을 산소 플라즈마로 분리( 표 자료 참조)에서 30 W, 15 sccm에서 5분 동안 분리하였다.
  4. 장치 제작을 위해 플라즈마로 처리된 그래핀 사각형을 더 작은 크기(1cm x 2cm)로 자릅니다.
  5. 미리 세척된 기판(SiO2)을 대략적인 치수가 2.5cm x 2cm인 작은 조각으로 자릅니다.
  6. 그래핀 상용 에천트(염화제철)를 사용하여 구리를 에칭 한다(물질의 표 참조). 에칭액을 희석하지 마십시오. 구리면을 아래로 향하게하고 PMMA 측면을 액체 에칭액에 올려 놓고 샘플을 떠 다니십시오.
  7. 구리 에칭 후, 플라즈마 처리된 기판을 사용하여 그래핀 필름을 천천히 들어올린다.
  8. 이송된 그래핀을 2시간 동안 공기 건조시킨 다음, 80°C에서 15분 동안 베이킹한다.
  9. 아래 단계에 따라 PMMA를 제거합니다.
    1. 샘플을 70°C에서 아세톤 증기로 예열한다. 샘플을 아세톤 증기 위 ~ 2cm에 4 분 동안 보관하고 PMMA 측면을 아래로 향하게하십시오. 그런 다음 샘플을 아세톤에 5 분 동안 담그십시오.
    2. DI 물로 샘플을 조심스럽게 씻고 옮겨진 그래핀을 현미경으로 관찰하십시오. 마지막으로, 샘플을N2로 부드럽게 송풍 건조시킨다.
    3. 원자력 현미경(AFM) 관찰을 수행하여 PMMA 잔류물이 없는 그래핀을 확인합니다. PMMA 잔류물이 영상에 보이면 아세톤 증기 세척 및 침지를 다시 한 번 수행하십시오.
  10. 라만 및 AFM 특성화를 수행하여 전사 그래핀의 단층을 확인하고 표면 특성을 관찰합니다(그림 1A,B).

2. 그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)의 제조

  1. 아세톤, IPA 및 DI 물을 사용하여 전사된 그래핀으로 기판을 세척하고; 이어서, 기판을 75°C에서 30분 동안 핫플레이트 상에 베이킹한다(도 2A).
  2. E-빔 증발기(30 )( 재료 표 참조)를 사용하여, 그래핀 샘플 상에 5 nm 니켈 및 45 nm 금을 증착한다(도 2B).
  3. 전극의 패터닝을 위해 마스크 A(보충 그림 1)를 사용하는 제1 포토리소그래피(30) 공정을 적용한다(도 2C).
  4. 포지티브 포토레지스트(AZ 5214E, 표 자료 참조)를 샘플 (45초 동안 2000 rpm)에 회전시키고, 샘플을 120°C에서 1분 동안 경화시킨다.
  5. 샘플을 UV 홍수 노출 시스템에 넣고 200mJ / cm2 미만으로 ~ 10 초 동안 노출하십시오.
  6. 샘플을 포토레지스트 현상제(AZ300 MIF, 재료 표 참조)로 ~2분 동안 현상한 다음, DI 물로 헹구십시오.
  7. 샘플을 금 에칭액에 담그고 10초 동안 금층을 에칭하는 단계; DI 물로 헹구고 아세톤에 10분 동안 침지하여 나머지 포토레지스트층을 제거하였다(그림 2C).
  8. 아세톤, IPA 및 DI 물을 사용하여, 샘플을 세척하고; 핫플레이트를 75°C에서 30분 동안 굽는다. 그런 다음 마스크 B(보충 그림 1)를 사용하여 두 번째 포토리소그래피 공정을 적용하여 그래핀 채널을 패턴화합니다.
    참고: 마스크 정렬기의 UV 노출 시스템을 제외하고 첫 번째 프로세스 매개 변수(단계 2.4-2.6)와 동일한 프로세스 매개 변수를 사용하십시오(그림 2D).
  9. 상기 샘플을 60°C에서 니켈 에천트에 침지시켜 10초 동안 니켈층을 에칭하는 단계; DI 물로 헹구십시오; N2를 사용하여 블로우 드라이(blow dry)합니다(그림 2D).
  10. 샘플을 플라즈마 아셔에 놓고 산소 플라즈마를 사용하여 노출된 그래핀을 제거한다(49 sccm에서 산소 흐름으로 90초 동안 100 W); 그 후, 아세톤에 10분 동안 침지하여 포토레지스트층을 제거하였다(도 2E).
  11. 샘플을 아세톤, IPA 및 DI 물을 사용하여 세척하고; 75°C에서 30분 동안 핫플레이트 상에서 베이킹하고, 기판 상의 하부 그래핀을 보호하기 위해 패시베이션 포토레지스트층의 패터닝을 위해 마스크 C(보충도 1)를 이용한 제3 포토리소그래피 공정을 적용한다. 마스크 얼라이너의 UV 노광 시스템을 제외하고 첫 번째 공정 매개변수(단계 2.4-2.6)와 동일한 공정 매개변수를 사용합니다(그림 2F).
  12. 세 번째 포토리소그래피 공정 후, 샘플을 60°C에서 니켈 에칭액에 10초 동안 침지시켜 잔존하는 니켈층을 제거하는 단계; 그런 다음 DI 물로 헹구고N2 를 사용하여 건조시킵니다 (그림 2G). 마지막으로, 샘플을 120°C의 핫플레이트에서 30분 동안 베이킹한다(도 2H).

3. IgG 검출을 위한 GFET의 기능화

  1. 샘플 배달 채널을 어셈블합니다.
    1. 소프트 리소그래피 기술(31)을 사용하여 PDMS에서 샘플-전달 채널을 제작한다.
    2. 그래핀 장치를 0.1 M의 NaOH 용액에 30 초 동안 침지시키고; DI 물로 헹구고 장치 표면에 얇은 물 층을 남겨 두어 PDMS의 정렬과 접착을 돕습니다. 그런 다음 산소 플라즈마를 사용하여 PDMS 웰의 표면을 활성화하십시오.
    3. 샘플 전달 채널과 그래핀 장치를 현미경으로 정렬하고; 정렬된 장치를 60°C 오븐에 3시간 동안 놓아 접합이 가능하도록 한다. 조립된 장치는 도 3A에 도시되어 있다.
  2. GFET를 기능화하십시오.
    1. 그래핀 표면을 IgG 앱타머로 기능화한다( 표 참조). 피펫을 사용하여 PDMS 웰에서 각 시약 또는 버퍼를 로드하고 제거합니다. 개략적인 프로세스는 그림 4에 나와 있습니다.
      참고: 다음 단계는 실온에서 작동시켰다.
    2. 그래핀 표면을 DMSO로 세 번 헹구고 난 후, 1-피렌 부티르산 N-하이드록시숙신이미드 에스테르(PBASE, DMSO에 용해된 10 mM, 표 표 참조)를 도포하고 2시간 동안 유지한다.
    3. DMSO로 헹구고 난 후, 5'아미노-개질된 IgG 앱타머 (1x PBS 중 20 μM)를 적용하고, 3 h 동안 인큐베이션하고, 1x PBS로 3회 헹구었다.
    4. 소 혈청 알부민(BSA, 1x PBS에서 10% w/v)을 그래핀에 1시간 동안 도포하고 1x PBS로 세 번 헹구십시오.

4. IgG 검출

  1. 0.01x PBS로 장치를 세 번 헹구십시오. PDMS 웰을 0.01x PBS(검출 버퍼)로 채운다(그림 3A,B).
  2. 전극을 고성능 파라미터 분석기와 연결합니다( 재료 표 참조). 소스 전극을 접지, 드레인 및 게이트 전극에 각각 파라미터 분석기가 장착된 소스 측정 장치(SMU 1 및 SMU 2)에 연결합니다(그림 3C).
  3. 측정 파라미터를 설정하고 샘플링 프로세스를 켭니다.
  4. 드레인 전류를 지속적으로 모니터링함으로써 IgG에 대한 EGGFET의 반응을 시험한다. 상이한 농도의 0.01x PBS에 IgG를 용해시키고, 용액을 검출 챔버 내로 첨가하고, 드레인 전류를 연속적으로 모니터링한다. 데이터를 저장합니다.

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Results

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대표적인 결과는 각각 라만 및 AFM을 특징으로 하는 전사된 CVD 그래핀을 보여준다. 라만 이미지의 G 피크와 2D 피크는 전사된 단층 그래핀(32)의 존재 및 품질에 관한 포괄적인 정보를 제공한다(그림 1). 표준 리소그래피 공정(30,31)은 도 2에 도시된 바와 같이 GFET 장치를 제조하기 위해 적용되었다. 도 3은 조립된 PDMS 샘플 전달 웰과 함께 제작된 GFET와 실험 셋업을 보여준다. PDMS를 10:1의 중량비로 혼합하고 페트리 접시에 캐스팅하였다. 그 후 PDMS 혼합물로 접시 전체를 60°C의 오븐에서 3시간 동안 베이킹하였다. 경화된 PDMS를 접시에서 벗겨내고 입방체(1 cm x 1 cm × 1 c...

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Discussion

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

구리 필름에 구입 한 CVD 그래핀은 다음 제조 단계에 적합한 크기로 트리밍해야합니다. 필름을 자르면 주름이 생길 수 있으므로 예방해야합니다. 제조 단계에서 제공되는 파라미터는 그래핀의 플라즈마 에칭을 위해 지칭될 수 있으며, 이들 수치는 상이한 계기를 사용할 때 변화될 수 있다. 에칭 된 샘플은 완전한 그래핀 에칭을 보장하기 위해 면밀히 모니터링하고 검사해야합니다. 아세톤, IPA 및 DI 물에서 5 분 동안 초음파 처리, DI 물 헹굼, 질소 가스 건조 또는O2 플라즈마로 처리와 같은 기판을 청소하기 위해 여러 가지 사전 세척 방법을 적용 할 수 있습니다 (300 W, ~ 100 sccm에서 5 분 동안). 구리 에칭 속도는 상업용 염화 제2 철 구리 에칭제를 사용하는 동안 약 1.25-1.67 미크론 / 분입니다. 에칭 공정에는 면밀한 관찰이 필요합니다. 에칭 후 DI 물로 충분한 헹굼이 필요합니다.

프로토콜에 언급된 아세톤 세척 기술은 최적의 잔류물 세...

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Disclosures

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

저자는 공개 할 경쟁 이익이나 상충되는 이해 관계가 없습니다.

Acknowledgements

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

실험은 웨스트 버지니아 대학에서 수행되었습니다. 우리는 장치 제조 및 재료 특성화를 위해 웨스트 버지니아 대학의 공유 연구 시설을 인정합니다. 이 연구는 그랜트 번호 (Grant No)의 미국 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 지원을 받았다. NSF1916894.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1-피레뉴티르산 N-하이드록시숙신이미드 에스테르시그마 알드리치457078-1G기능화
망명 MFP-3D 원자력 현미경옥스포드 기기그래핀 특성화
AZ 300 MIFMicroChemicalsAZ 300 MIF포토레지스트 현상
AZ 300 MIFMicroChemicalsAZ 300 MIF레지스트
소 혈청 알부민시그마 알드리치810014차단
Branson 1210 SonicatorSONITEK샘플 세척
구리 에칭시그마 Aldrich667528-500ML구리 필름을 제거하여 그래핀
디메틸 설폭사이드(DMSO)VWR97063-136기능화
일회용 생검 펀치, Integra MiltexVWR21909-144PDMS
Gold etchantGold Etch, TFA, Transene658148Enchant
Graphene슈퍼마켓2" x 2" 시트생체 감지 소자
장치 IgG aptamerBase Pair Biotechnologies
Keithley 4200A-SCS Parameter AnalyzerTektronix측정 및 검출
KMG CR-6KMG 화학 물질64216크롬 에칭제
Kurt J. Lesker E-beam 증발기Kurt J. Lesker금속 증착
Laurell Technologies 400 SpinnersLaurell TechnologiesWS-400BZ-6NPP/LITE박막 코팅
March PX-250 Plasma AsherMarch 기기샘플 세척
니켈 에칭니켈 에칭제, TFB, 트란센600016000에칭
OAI 플러드 노출OAI포토리소그래
인산염 완충 식염수(PBS)시그마 알드리치806552-500ML버퍼
PMMA 495K A4MicroChemicalsPMMA 495K A4그래핀 전달 보조용 포토레지스트
폴리디메틸실록산(PDMS)시그마 알드리치Sylgard 184샘플 전달 웰
Renishaw InVia 라만 현미경Renishaw그래핀 특성화
수산화나트륨(NaOH)시그마 알드리치221465-25G기능화
Suss Microtech MA6 마스크 얼라인너Suss MicroTec포토리소그래피
Thermo Scientific Cimarec 핫플레이트Thermo ScientificSP131635샘플 및 장치 Baking
액 포토의 생체 감지 소자 피

References

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