Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Разработка и функционализация графенового полевого транзистора с электролитным покрытием для обнаружения биомаркеров

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

Настоящий протокол демонстрирует разработку биосенсора полевого транзистора графена с электролитным покрытием (EGGFET) и его применение в детектировании биомаркеров иммуноглобулина G (IgG).

Abstract

В текущем исследовании графен и его производные были исследованы и использованы для многих применений, включая электронику, зондирование, хранение энергии и фотокатализ. Синтез и изготовление графена высокого качества, хорошей однородности и низких дефектов имеют решающее значение для высокопроизводительных и высокочувствительных устройств. Среди многих методов синтеза химическое осаждение из паровой фазы (CVD), считающееся ведущим подходом к производству графена, может контролировать количество слоев графена и давать высококачественный графен. CVD графен должен быть перенесен с металлических подложек, на которых он выращивается, на изоляционные подложки для практического применения. Однако разделение и перенос графена на новые подложки являются проблемой для однородного слоя без повреждения или влияния на структуры и свойства графена. Кроме того, графеновый полевой транзистор с электролитным покрытием (EGGFET) был продемонстрирован для его широкого применения в различных биомолекулярных обнаружениях из-за его высокой чувствительности и стандартной конфигурации устройства. В этой статье продемонстрированы поли (метилметакрилат) (ПММА) с помощью графена, изготовление графенового полевого транзистора (GFET) и обнаружение биомаркера иммуноглобулина G (IgG). Рамановская спектроскопия и атомно-силовая микроскопия были применены для характеристики переносимого графена. Показано, что метод является практическим подходом к переносу чистого и безостаткового графена при сохранении лежащей в основе графеновой решетки на изолирующей подложке для электроники или биозондирования.

Introduction

Графен и его производные были исследованы и использованы для многих применений, включая электронику 1,2, зондирование 3,4,5, хранение энергии 6,7 и фотокатализ 1,6,8. Синтез и изготовление графена высокого качества, хорошей однородности и низких дефектов имеют решающее значение для высокопроизводительных и высокочувствительных устройств. С момента разработки химического осаждения из паровой фазы (CVD) в 2009 году он показал колоссальные перспективы и занял свое место в качестве важного члена семейства графенов 9,10,11,12,13. Его выращивают на металлической подложке, а затем для практического использования переносят на изоляционные подложки14. В последнее время для переноса CVD графена используется несколько методов переноса. Метод с поддержкой поли (метилметакрилата) (ПММА) является наиболее используемым среди различных методов. Этот метод особенно хорошо подходит для промышленного использования из-за его крупномасштабных возможностей, более низкой стоимости и высокого качества передаваемого графена14,15. Критическим аспектом этого метода является избавление от остатков ПММА для применения CVD графена, поскольку остатки могут вызывать снижение электронных свойств графена 14,15,16, оказывать влияние на чувствительность и производительность биосенсоров 17,18 и создавать значительные вариации от устройства к устройству19.

Биосенсоры на основе наноматериалов были значительно исследованы за последние десятилетия, включая кремниевую нанопроволоку (SiNW), углеродные нанотрубки (CNT) и графен20. Благодаря своей одноатомнослойной структуре и отличительным свойствам графен демонстрирует превосходные электронные характеристики, хорошую биосовместимость и легкую функционализацию, что делает его привлекательным материалом для разработки биосенсоров 14,21,22,23. Благодаря характеристикам полевых транзисторов (FET), таким как высокая чувствительность, стандартная конфигурация и экономичная массовая производительность21,24, FET является более предпочтительным в портативных реализациях и реализациях в местах оказания медицинской помощи, чем другие электронные биозондирующие устройства. Биосенсоры графеновых полевых транзисторов с электролитным покрытием (EGGFET) являются примерами заявленных FETs21,24. EGGFET может обнаруживать различные целевые аналиты, такие как нуклеиновые кислоты25, белки 24,26, метаболиты27 и другие биологически значимые аналиты28. Метод, упомянутый здесь, обеспечивает реализацию CVD-графена в биосенсорном наноэлектронном устройстве без меток, которое обеспечивает более высокую чувствительность и точное определение времени по сравнению с другими биосенсорными устройствами29.

В этой работе продемонстрирован общий процесс разработки биосенсора EGGFET и его функционализации для обнаружения биомаркеров, включая перенос CVD-графена на изолирующую подложку, рамановскую и AFM-характеристики переносимого графена. Кроме того, здесь также обсуждаются изготовление EGGFET и интеграция с полидиметилсилоксаном (PDMS) для доставки образцов, функционализация биорецепторов и успешное обнаружение иммуноглобулина человека G (IgG) из сыворотки путем экспериментов по спайку и восстановлению.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Перенос химического осаждения графена из паровой фазы

  1. Разрежьте графеновый лист на медной подложке пополам (2,5 см х 5 см) ножницами. Нанесите терморезистивную ленту для фиксации четырех углов графенового квадрата на прокладке спиннера (см. Таблицу материалов).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Приобретаемый графен имеет размеры 5 см х 5 см (см. Таблицу материалов).
  2. Шпин-покрытие листа графена тонким слоем (100-200 нм) ПММА 495К А4, вращающимся при 500 об/мин в течение 10 с и затем 2000 об/мин в течение 50 с. Затем выпекайте образец при 150 °C в течение 5 мин.
  3. Удаляют заднюю сторону графена кислородной плазмой (см. Таблицу материалов) при 30 Вт, 15 см в течение 5 мин.
  4. Разрежьте обработанный плазмой графеновый квадрат на меньшие размеры (1 см х 2 см) для изготовления устройства.
  5. Предварительно очищенную подложку (SiO2) разрезать на мелкие кусочки с приблизительным размером 2,5 см х 2 см.
  6. Травите медь с помощью графенового коммерческого травильного материала (хлорид железа) (см. Таблицу материалов). Не разбавляйте травление. Поместите образец медной стороной вниз и стороной ПММА вверх на жидком травилке.
  7. После травления меди медленно поднимите графеновую пленку, используя плазменную подложку.
  8. Высушите на воздухе перенесенный графен в течение 2 ч, а затем выпекайте при 80 °C в течение 15 мин.
  9. Удалите PMMA, выполнив следующие действия.
    1. Разогрейте образец парами ацетона при 70 °C. Держите образец на высоте ~2 см выше паров ацетона в течение 4 минут стороной ПММА лицом вниз. Затем погрузить образец в ацетон на 5 мин.
    2. Тщательно промыть образец водой DI и понаблюдать за перенесенным графеном под микроскопом. Наконец, аккуратно высушите образц феном сN2.
    3. Выполните атомно-силовую микроскопию (AFM) для обеспечения отсутствия остатков ПММА графена. Если на изображении виден остаток ПММА, выполните очистку пара ацетона и погружение еще раз.
  10. Выполняют рамановскую и AFM-характеристику для подтверждения монослоя переноса графена и наблюдают свойства поверхности (рис. 1А,В).

2. Изготовление графенового полевого транзистора (GFET)

  1. Промыть подложку перенесенным графеном с использованием ацетона, IPA и DI воды; затем выпекать подложку на конфорке при 75 °C в течение 30 мин (рисунок 2А).
  2. Используя испарительE-пучка 30 (см. Таблицу материалов), нанесите 5 нм никеля и 45 нм золота на образец графена (рисунок 2B).
  3. Применяют первый процесс фотолитографии30 с использованием маски А (Дополнительный рисунок 1) для построения рисунка электродов (Рисунок 2С).
  4. Вращайте положительный фоторезист (AZ 5214E, см. Таблицу материалов) на образце (2000 об/мин в течение 45 с) и отверждайте образец при 120 °C в течение 1 мин.
  5. Поместите образец в систему воздействия УФ-наводнения и подвергайте его воздействию в течение ~ 10 с при 200 мДж /см2.
  6. Разработайте образец с помощью разработчика фоторезиста (AZ300 MIF, см. Таблицу материалов) в течение ~2 мин, а затем промойте водой DI.
  7. Погрузите образец в золотой травил, чтобы вытравить золотой слой на 10 с; промыть водой DI и удалить оставшийся слой фоторезиста, погружая в ацетон на 10 мин (рисунок 2C).
  8. Используя ацетон, IPA и ВОДУ DI, промыть образец; выпекать на конфорке при 75 °C в течение 30 мин. Затем примените второй процесс фотолитографии с использованием маски B (дополнительный рисунок 1) для формирования графеновых каналов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте те же параметры процесса, что и первый (шаг 2.4-2.6), за исключением системы воздействия ультрафиолета в элайнере маски (рисунок 2D).
  9. Погрузить образец в никелевый травиль при 60 °C для травления никелевого слоя в течение 10 с; промыть водой DI; сушка феном с использованием N2 (рисунок 2D).
  10. Поместите образец в плазменный ашер и удалите экспонированный графен с помощью кислородной плазмы (100 Вт в течение 90 с потоком кислорода при 49 sccm); после этого удаляют слой фоторезиста погружением в ацетон на 10 мин (рисунок 2Е).
  11. Промыть образец водой ацетоном, IPA и DI; выпекать на конфорке при 75 °C в течение 30 мин и применять третий процесс фотолитографии с использованием маски C (дополнительный рисунок 1) для формирования пассивационного слоя фоторезиста для защиты нижележащего графена на подложке. Используйте те же параметры процесса, что и первый (шаг 2.4-2.6), за исключением системы воздействия ультрафиолета в элайнере маски (рисунок 2F).
  12. После третьего процесса фотолитографии погрузить образец в никелевый травиль при 60 °C в течение 10 с для удаления оставшегося слоя никеля; затем промыть водой DI и высушить феном, используя N2 (рисунок 2G). Наконец, выпекайте образец на конфорке при 120 °C в течение 30 мин (рисунок 2H).

3. Функционализация GFET для обнаружения IgG

  1. Соберите канал доставки образцов.
    1. Изготовьте канал доставки образцов в PDMS с использованием методов мягкой литографии31.
    2. Погрузить графеновое устройство в 0,1 М раствора NaOH на 30 с; промыть водой DI и оставить тонкий слой воды на поверхности устройства, чтобы облегчить выравнивание и склеивание скважины PDMS. Затем активируйте поверхность скважины PDMS с помощью кислородной плазмы.
    3. Выровнять канал подачи образца и графеновое устройство под микроскопом; поместите выровненное устройство в печь с температурой 60 °C на 3 часа, чтобы обеспечить склеивание. Собранное устройство показано на рисунке 3А.
  2. Функционализируйте GFET.
    1. Функционализируйте поверхность графена с помощью аптамера IgG (см. Таблицу материалов). Используйте пипетки для загрузки и удаления каждого реагента или буфера из скважины PDMS. Схематический процесс показан на рисунке 4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие этапы выполнялись при комнатной температуре.
    2. После промывки поверхности графена ДМСО трижды применяют 1-пиренбенасляную кислоту N-гидроксисукцинимидный эфир (PBASE, 10 мМ растворен в ДМСО, см. Таблицу материалов) и держат в течение 2 ч.
    3. После полоскания с ДМСО применяют 5'амино-модифицированный аптамер IgG (20 мкМ в 1x PBS), инкубируют в течение 3 ч и смывают 1x PBS три раза.
    4. Нанесите бычий сывороточный альбумин (BSA, 10% мас./об.в 1x PBS) на графен в течение 1 ч и трижды промойте 1x PBS.

4. Обнаружение IgG

  1. Промывайте устройство с помощью 0,01x PBS три раза. Заполните колодец PDMS 0,01x PBS (буфер обнаружения) (рисунок 3A,B).
  2. Соедините электроды с высокопроизводительным анализатором параметров (см. Таблицу материалов). Подключите электрод источника к земле, дренаж и затворные электроды к блокам измерения источника (SMU 1 и SMU 2), оснащенным анализатором параметров соответственно (рисунок 3C).
  3. Настройте параметры измерения и включите процесс отбора проб.
  4. Проверьте реакцию EGGFET на IgG, непрерывно контролируя ток стока. Растворите IgG в 0,01x PBS с различными концентрациями, добавьте раствор в камеру обнаружения и непрерывно контролируйте ток слива. Сохраните данные.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Репрезентативные результаты показывают перенесенный CVD графен, характеризующийся рамановским и AFM, соответственно. Пик G и 2D-пики рамановского изображения дают исчерпывающую информацию о существовании и качестве переданного монослоя графена32 (рисунок 1). Для изготовления устройства GFET были применены стандартные литографические процессы 30,31, как показано на рисунке 2. На рисунке 3 показан изготовленный GFET с собранными скважинами подачи образцов PDMS и экспериментальной установкой. PDMS смешивали в весовом соотношении 10:1 и отливали в чашку Петри. Затем все блюдо со смесью PDMS запекали в духовке при 60 °C в течение 3 ч. Отвержденный PDMS снимали с тарелки и обрезали кубиком (1 см х 1 см × 1 см). Затем скважина (диаметром 6 мм) была создана путем пробивки куба PDMS перфоратором.

Схематические процессы функционализации для обнаружения IgG с помощью EGGFET показаны на фиг.4, а на фиг.5 показано обнаружение IgG в различных электролитных условиях24. PBASE, широко используемый реагент функционализации графена, может адсорбироваться на поверхности графена посредством взаимодействия24 π-π без повреждения электрических свойств графена (фиг.4A). 5'амино-модифицированный аптамер IgG конъюгируется с PBASE амидными связями между реакционноспособным эфиром N-гидроксисукцинимида (NHS) в PBASE и аминной группой на 5'-конце аптамера IgG (рисунок 4B). Инкубация бычьего сывороточного альбумина (BSA), стандартный подход к обнаружению биосенсоров, использовалась для блокирования оставшихся неконъюгированных участков после промывки устройства 1x PBS (рисунок 4C). Более подробное обсуждение можно найти в нашей ранее опубликованной работе24. Опорный электрод Ag/AgCl был применен для определения потенциала затвора во время обнаружения. Диапазон обнаружения, диапазон концентрации, который датчик может надежно измерить, определяется как около ~ 2-50 нМ для устройства EGGFET. Ранее сообщалось о более подробном обсуждении химических веществ и принципов измерения, связанных с обнаружением IgG, а также чувствительности и предела обнаружения EGGFET.

Figure 1
Рисунок 1: CVD графен характеризуется рамановской и AFM-спектроскопией. (A) Репрезентативный рамановский спектр переносимого графена. Пик G и 2D пики являются преобладающими пиками нетронутого графена. (B) Репрезентативное изображение графена AFM. Соответствующие профили высоты на изображении AFM показаны на нижней панели вдоль синей пунктирной линии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Схематическое изготовление графенового полевого транзистора. (А) Монослойный графен переносится на подложки из диоксида кремния. (B) Никель и золото, осажденные на перенесенном графене. (C) Золото, травленое после первого процесса фотолитографии. D) никель, вытравленный после второго процесса фотолитографии. (E) Удаление незащищенного графена с использованием кислородной плазмы. (F) Покрытие рисунка фоторезистом для наслоения пассивации и выполнения третьего процесса фотолитографии. (G) Никель, вытравленный после третьего процесса фотолитографии. H) Отжиг после травления никеля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Устройство и экспериментальная установка для обнаружения IgG. (A) Биосенсор EGGFET интегрирован со стандартным эталонным электродом Ag/AgCl и скважиной PDMS для хранения образца. (B) Увеличенный вид графенового канала. (C) Принципиальная схема схемы соединения для обнаружения IgG с помощью биосенсора EGGFET. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Функционализация графеновой поверхности для обнаружения IgG. Перепечатано с разрешения Ссылки24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Реакция биосенсора EGGFET на биомаркер IgG под различными разбавителями. Перепечатано с разрешения Ссылки24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок 1: Конструкции масок, используемые для процессов фотолитографии. (A) Конструкция маски, использованная в первом процессе фотолитографии. Электроды приведены с размерами на увеличенном изображении А1. (B) Конструкция маски, используемая во второй фотолитографии с размерами. (C) Конструкция маски, используемая в третьем процессе фотолитографии. Электроды приведены с размерами на увеличенном изображении C1. (D) Конечный продукт всех трех процессов фотолитографии и увеличенное изображение D1 показывают конфигурации электродов. Единицы измерения для размеров указаны в миллиметрах (мм). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Приобретенный CVD графен на медной пленке должен быть обрезан до нужного размера для следующих этапов изготовления. Разрезание пленок может вызвать сморщивание, которое необходимо предотвратить. Параметры, указанные на этапе изготовления, могут быть отнесены к плазменному травлению графена, и эти числа могут варьироваться при использовании различных инструментов. Травленный образец должен тщательно контролироваться и проверяться для обеспечения полного травления графена. Для очистки субстратов могут быть применены несколько методов предварительной очистки, таких как обработка ультразвуком в воде ацетона, IPA и DI в течение 5 минут, промывка водой DI и сушка газообразного азота или обработка плазмой O2 (300 Вт, при ~ 100 sccm в течение 5 мин). Скорость травления меди составляет около 1,25-1,67 мкм/мин при использовании коммерческого травильного материала из хлорида железа. Тщательное наблюдение необходимо для процесса травления. После травления необходимо достаточное ополаскивание водой DI.

Метод очистки ацетоном, упомянутый в протоколе, является оптимальным методом очистки остатков. Плазменная очистка имеет риск нанесения вреда монослойному графену. Таким образом, наиболее дружественным к слоям графена методом является очистка ацетоном. Но удаление остатков ПММА также имеет первостепенное значение, поскольку оно влияет на последние процессы. Выполнение рамановской спектроскопии и AFM может дать качество графена и остатка ПММА в режиме реального времени. Приборы и химические вещества, используемые в протоколе, имеют решающее значение, поскольку они непосредственно влияют на качество изготовленного устройства. Таким образом, качество приборов и валидность химических веществ должны быть проверены и обновлены.

PBASE необходимо хранить сухим и хранить в морозильной камере при температуре -20 °C, чтобы избежать гидролиза для функционализации биорецепторов. Хранящийся флакон должен достичь комнатной температуры перед его открытием; в противном случае вода может конденсироваться внутри флакона и гидролизовать PBASE. Чтобы получить 10 мМ PBASE, 100 мМ раствора PBASE необходимо приготовить сначала путем растворения 38,5 мг PBASE в 1 мл DMSO, а затем разбавления его в 10 раз.

Поскольку реагенты и буферы были добавлены или удалены путем пипетки непосредственно в скважину PDMS, устройство, продемонстрированное в рукописи, не позволяло проводить калибровку на месте с отрицательным контролем. Для этого потребуется многоканальный массив, интегрированный с правильно спроектированным микрофлюидным устройством. Дальнейшее развитие устройства, такое как объединение его с платформой бокового потока, обеспечит большой потенциал для приложений в местах оказания медицинской помощи33. Кроме того, интерфейс между твердым и жидким телом является темой большого научного и технологического значения34. Например, в конкретном случае водных сред и графена он играет решающую роль во многих новых применениях графена, например, в аналитической химии35, накоплении и преобразовании энергии36, фильтрации воды37 и биозондировании38. Разгадка поведения на границе имеет важное научно-техническое значение, особенно для точного и более глубокого понимания свойств графена и его практического применения39,40.

В настоящей работе приведен подробный протокол для демонстрации разработки биосенсора EGGFET и его применения в обнаружении биомаркеров. Для практического использования CVD-графена, переносимого подходом ПММА, крайне важно полностью удалить остатки ПММА, чтобы получить чистую поверхность. Метод эффективно удаляет остатки ПММА при сохранении лежащей в основе графеновой решетки. Функциональное устройство показывает последовательные результаты для обнаружения человеческого IgG. Заинтересованные исследователи могли бы использовать этот протокол в качестве ссылки для создания устройств для конкретных приложений, таких как изучение интерфейсных взаимодействий, биозондирование, разработка аналогичных устройств с использованием других наноматериалов и т. Д.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конкурирующих интересов или конфликтующих интересов для раскрытия.

Acknowledgments

Эксперименты проводились в Университете Западной Вирджинии. Мы выражаем признательность За использование общих исследовательских центров в Университете Западной Вирджинии для изготовления устройств и определения характеристик материалов. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом США в рамках гранта No. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Saini, D. Synthesis and functionalization of graphene and application in electrochemical biosensing. Nanotechnology Reviews. 5 (4), 393-416 (2016).
  2. Emtsev, K. V., Bostwick, A., Horn, K., et al. Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide. Nature Materials. 8 (3), 203-207 (2009).
  3. Wang, Y., et al. Electrochemical delamination of CVD-grown graphene film: Toward the recyclable use of copper catalyst. ACS Nano. 5 (12), 9927-9933 (2011).
  4. Carvalho Fernandes, D. C., Lynch, D., Berry, V. 3D-printed graphene/polymer structures for electron-tunneling based devices. Scientific Reports. 10 (1), 1-8 (2020).
  5. Gao, L., et al. Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum. Nature Communications. 3, 699 (2012).
  6. Singh, J., Rathi, A., Rawat, M., Gupta, M. Graphene: From synthesis to engineering to biosensor applications. Frontiers of Materials Science. 12 (1), 1-20 (2018).
  7. Randviir, E. P., Brownson, D. A. C., Banks, C. E. A decade of graphene research: Production, applications and outlook. Materials Today. 17 (9), 426-432 (2014).
  8. Suvarnaphaet, P., Pechprasarn, S. Graphene-based materials for biosensors: A review. Sensors (Switzerland). 17 (10), 2161 (2017).
  9. Li, X., Cai, W., An, J., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
  10. Yu, Q., Lian, J., Siriponglert, S., Li, H., Chen, Y. P., Pei, S. S. Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators. Applied Physics Letters. 93 (11), 113103 (2008).
  11. Xu, S. C., et al. Direct synthesis of graphene on SiO2 substrates by chemical vapor deposition. CrystEngComm. 15 (10), 1840-1844 (2013).
  12. Zhang, C., et al. Facile synthesis of graphene on dielectric surfaces using a two-temperature reactor CVD system. Nanotechnology. 24 (39), 395603 (2013).
  13. Zhang, C., et al. Direct formation of graphene-carbon nanotubes hybrid on SiO2 substrate via chemical vapor deposition. Science of Advanced Materials. 6 (2), 399-404 (2014).
  14. Sun, J., Finklea, H. O., Liu, Y. Characterization and electrolytic cleaning of poly(methyl methacrylate) residues on transferred chemical vapor deposited graphene. Nanotechnology. 28 (12), 125703 (2017).
  15. Lin, Y. C., Lu, C. C., Yeh, C. H., Jin, C., Suenaga, K., Chiu, P. W. Graphene annealing: How clean can it be. Nano Letters. 12 (1), 414-419 (2012).
  16. Pirkle, A., et al. The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2. Applied Physics Letters. 99 (12), 122108 (2011).
  17. Chen, T. Y., et al. Label-free detection of DNA hybridization using transistors based on CVD grown graphene. Biosensors and Bioelectronics. 41 (1), 103-109 (2013).
  18. Xu, S., et al. Direct growth of graphene on quartz substrates for label-free detection of adenosine triphosphate. Nanotechnology. 25 (16), 165702 (2014).
  19. Dan, Y., Lu, Y., Kybert, N. J., Luo, Z., Johnson, A. T. C. Intrinsic response of graphene vapor sensors. Nano Letters. 9 (4), 1472-1475 (2009).
  20. Zhang, A., Lieber, C. M. - Nano-Bioelectronics. Chemical Reviews. 116 (1), 215-257 (2015).
  21. Forsyth, R., Devadoss, A., Guy, O. J. Graphene Field effect transistors for biomedical applications: Current status and future prospects. Diagnostics (Basel). 7 (3), 45 (2017).
  22. Dankerl, M., et al. Graphene solution-gated field-effect transistor array for sensing applications. Advanced Functional Materials. 20 (18), 3117-3124 (2010).
  23. He, Q., Wu, S., Yin, Z., Zhang, H. Graphene -based electronic sensors. Chemical Science. 3 (6), 1764-1772 (2012).
  24. Sun, J., Liu, Y. Matrix effect study and immunoassay detection using electrolyte-gated graphene biosensor. Micromachines. 9 (4), 142 (2018).
  25. Mohanty, N., Berry, V. Graphene-based single-bacterium resolution biodevice and DNA transistor: Interfacing graphene derivatives with nanoscale and microscale biocomponents. Nano Letters. 8 (12), 4469-4476 (2008).
  26. Ohno, Y., Maehashi, K., Yamashiro, Y., Matsumoto, K. Electrolyte-gated graphene field-effect transistors for detecting pH and protein adsorption. Nano Letters. 9 (9), 3318-3322 (2009).
  27. Huang, Y., Dong, X., Shi, Y., Li, C. M., Li, L. J., Chen, P. Nanoelectronic biosensors based on CVD grown graphene. Nanoscale. 2 (8), 1485-1488 (2010).
  28. Jiang, S., et al. Real-time electrical detection of nitric oxide in biological systems with sub-nanomolar sensitivity. Nature Communications. 4 (1), 1-7 (2013).
  29. Bai, Y., Xu, T., Zhang, X. Graphene-based biosensors for detection of biomarkers. Micromachines. 11 (1), 60 (2020).
  30. Madou, M. J. Fundamentals of Microfabrication The Science of Miniaturization. 2nd ed. , CRC Press. (2002).
  31. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Material Sciences. 28 (1), 153-184 (2003).
  32. Wang, Y. Y., et al. Raman studies of monolayer graphene: The substrate effect. Journal of Physical Chemistry C. 112 (29), 10637-10640 (2008).
  33. Betancur, V., Sun, J., Wu, N., Liu, Y. Integrated lateral flow device for flow control with blood separation and biosensing. Micromachines. 8 (12), 367 (2017).
  34. Butt, A. Physics and Chemistry of Interfaces. 3rd ed. , WILEY-VCH. (2003).
  35. Sitko, R., Zawisza, B., Malicka, E. Graphene as a new sorbent in analytical chemistry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 51, 33-43 (2013).
  36. Bai, L., et al. Graphene for energy storage and conversion: Synthesis and Interdisciplinary applications. Electrochemical Energy Reviews. 3 (2), 395-430 (2019).
  37. Boretti, A., Al-Zubaidy, S., Vaclavikova, M., Al-Abri, M., Castelletto, S., Mikhalovsky, S. Outlook for graphene-based desalination membranes. npj Clean Water. 1 (1), 1-11 (2018).
  38. Pumera, M. Graphene in biosensing. Materials Today. 14 (7-8), 308-315 (2011).
  39. Sun, J., Liu, Y. Unique constant phase element behavior of the electrolyte-graphene interface. Nanomaterials. 9 (7), 923 (2019).
  40. Sun, J., Camilli, L., Caridad, J. M., Santos, J. E., Liu, Y. Spontaneous adsorption of ions on graphene at the electrolyte-graphene interface. Applied Physics Letters. 117 (20), 203102 (2020).

Tags

Инженерия Выпуск 180 Графен с осажденным химическим паром (CVD) перенос графена полевой транзистор обнаружение биомаркеров
Разработка и функционализация графенового полевого транзистора с электролитным покрытием для обнаружения биомаркеров
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ishraq, S., Sun, J., Liu, Y.… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter