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Engineering

Desarrollo y funcionalización del transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos para la detección de biomarcadores

Published: February 1, 2022 doi: 10.3791/63393

Summary

El presente protocolo demuestra el desarrollo del biosensor de transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos (EGGFET) y su aplicación en la detección de biomarcadores de inmunoglobulina G (IgG).

Abstract

En el estudio actual, el grafeno y sus derivados se han investigado y utilizado para muchas aplicaciones, incluida la electrónica, la detección, el almacenamiento de energía y la fotocatálisis. La síntesis y fabricación de grafeno de alta calidad, buena uniformidad y bajos defectos son fundamentales para dispositivos de alto rendimiento y alta sensibilidad. Entre muchos métodos de síntesis, la deposición química de vapor (CVD), considerada un enfoque líder para la fabricación de grafeno, puede controlar el número de capas de grafeno y producir grafeno de alta calidad. El grafeno CVD debe transferirse de los sustratos metálicos en los que se cultiva a sustratos aislantes para aplicaciones prácticas. Sin embargo, la separación y transferencia de grafeno a nuevos sustratos es un desafío para una capa uniforme sin dañar o afectar las estructuras y propiedades del grafeno. Además, el transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos (EGGFET) se ha demostrado por sus amplias aplicaciones en diversas detecciones biomoleculares debido a su alta sensibilidad y configuración estándar del dispositivo. En este artículo, se demuestra el enfoque de transferencia de grafeno asistido por poli (metacrilato de metilo) (PMMA), la fabricación de transistor de efecto de campo de grafeno (GFET) y la detección de biomarcadores de inmunoglobulina G (IgG). Se aplicaron espectroscopía Raman y microscopía de fuerza atómica para caracterizar el grafeno transferido. Se ha demostrado que el método es un enfoque práctico para transferir grafeno limpio y libre de residuos, preservando al mismo tiempo la red de grafeno subyacente en un sustrato aislante para aplicaciones electrónicas o de biodetección.

Introduction

El grafeno y sus derivados se han investigado y utilizado para muchas aplicaciones, incluida la electrónica 1,2, la detección 3,4,5, el almacenamiento de energía 6,7 y la fotocatálisis 1,6,8. La síntesis y fabricación de grafeno de alta calidad, buena uniformidad y bajos defectos son fundamentales para dispositivos de alto rendimiento y alta sensibilidad. Desde el desarrollo de la deposición química de vapor (ECV) en 2009, ha demostrado una promesa colosal y se ha establecido como un miembro esencial de la familia del grafeno 9,10,11,12,13. Se cultiva sobre un sustrato metálico y, posteriormente para usos prácticos, se transfiere a sustratos aislantes14. Recientemente se han utilizado varios métodos de transferencia para transferir grafeno CVD. El método asistido por poli (metacrilato de metilo) (PMMA) es el más utilizado entre las diferentes técnicas. Este método es particularmente adecuado para uso industrial debido a su capacidad a gran escala, menor costo y alta calidad del grafeno transferido14,15. El aspecto crítico de este método es deshacerse del residuo de PMMA para las aplicaciones del grafeno CVD porque los residuos pueden causar la declinación de las propiedades electrónicas del grafeno 14,15,16, causar un efecto en la sensibilidad y el rendimiento de los biosensores 17,18 y crear variaciones significativas de dispositivo a dispositivo19.

Los biosensores basados en nanomateriales se han investigado significativamente en las últimas décadas, incluidos los nanocables de silicio (SiNW), los nanotubos de carbono (CNT) y el grafeno20. Debido a su estructura de capa de un solo átomo y propiedades distintivas, el grafeno demuestra características electrónicas superiores, buena biocompatibilidad y funcionalización fácil, lo que lo convierte en un material atractivo para el desarrollo de biosensores 14,21,22,23. Debido a las características de los transistores de efecto de campo (FET), como la alta sensibilidad, la configuración estándar y la producibilidad en masa rentable21,24, FET es más preferido en implementaciones portátiles y de punto de atención que otros dispositivos de biodetección basados en electrónica. Los biosensores de efecto de campo de grafeno activados por electrolitos (EGGFET) son ejemplos de losFETs 21,24 declarados. EGGFET puede detectar varios analitos dirigidos como ácidos nucleicos25, proteínas 24,26, metabolitos27 y otros analitos biológicamente relevantes28. La técnica mencionada aquí garantiza la implementación de grafeno CVD en un dispositivo de nanoelectrónica de biodetección sin etiquetas que ofrece una mayor sensibilidad y una detección precisa del tiempo sobre otros dispositivos de biodetección29.

En este trabajo, se demuestra un proceso general para desarrollar un biosensor EGGFET y funcionalizarlo para la detección de biomarcadores, incluida la transferencia de grafeno CVD a un sustrato aislante, Caracterizaciones Raman y AFM del grafeno transferido. Además, la fabricación de EGGFET y la integración con un pozo de entrega de muestra de polidimetilsiloxano (PDMS), la funcionalización de biorreceptores y la detección exitosa de inmunoglobulina G humana (IgG) a partir del suero mediante experimentos de espiga y recuperación también se discuten aquí.

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Protocol

1. Transferencia de la deposición química de vapor de grafeno

  1. Cortar la lámina de grafeno sobre un sustrato de cobre por la mitad (2,5 cm x 5 cm) con tijeras. Aplique cinta resistente al calor para fijar las cuatro esquinas del cuadrado de grafeno en una junta giratoria (consulte la Tabla de materiales).
    NOTA: El grafeno comprado tiene una dimensión de 5 cm x 5 cm (ver Tabla de Materiales).
  2. Recubre la lámina del grafeno con una capa delgada (100-200 nm) de PMMA 495K A4 girando a 500 rpm durante 10 s y luego a 2000 rpm durante 50 s. A continuación, hornea la muestra a 150 °C durante 5 min.
  3. Retire la parte posterior del grafeno con plasma de oxígeno (ver Tabla de Materiales) a 30 W, 15 sccm durante 5 min.
  4. Corte el cuadrado de grafeno tratado con plasma en dimensiones más pequeñas (1 cm x 2 cm) para la fabricación del dispositivo.
  5. Cortar el sustrato prelimpiado (SiO2) en trozos pequeños con una dimensión aproximada de 2,5 cm x 2 cm.
  6. Graba el cobre usando el etchant comercial de grafeno (cloruro férrico) (ver Tabla de Materiales). No diluya el grabado. Flote la muestra con el lado de cobre hacia abajo y el lado de PMMA hacia arriba en el grabado líquido.
  7. Después del grabado de cobre, levante la película de grafeno lentamente con el sustrato tratado con plasma.
  8. Seque al aire el grafeno transferido durante 2 h y luego hornee a 80 ° C durante 15 min.
  9. Elimine el PMMA siguiendo los pasos a continuación.
    1. Calentar la muestra con vapor de acetona a 70 °C. Mantenga la muestra a ~ 2 cm por encima del vapor de acetona durante 4 minutos con el lado de PMMA hacia abajo. A continuación, sumergir la muestra en acetona durante 5 min.
    2. Lave la muestra con agua DI con precaución y observe el grafeno transferido bajo un microscopio. Finalmente, sople suavemente la muestra con N2.
    3. Realizar observación de microscopía de fuerza atómica (AFM) para garantizar que el grafeno esté libre de residuos de PMMA. Si el residuo de PMMA es visible en la imagen, realice la limpieza e inmersión de vapor de acetona una vez más.
  10. Realizar caracterización Raman y AFM para confirmar la monocapa de transferencia de grafeno y observar las propiedades superficiales (Figura 1A,B).

2. Fabricación del transistor de efecto de campo de grafeno (GFET)

  1. Lave el sustrato con el grafeno transferido con acetona, IPA y agua DI; luego hornee el sustrato en una placa caliente a 75 °C durante 30 min (Figura 2A).
  2. Utilizando el evaporador de haz E30 (ver Tabla de Materiales), deposite níquel de 5 nm y oro de 45 nm en la muestra de grafeno (Figura 2B).
  3. Aplicar el primer proceso de fotolitografía30 utilizando la máscara A (Figura Suplementaria 1) para el patronaje de los electrodos (Figura 2C).
  4. Girar una fotorresistente positiva (AZ 5214E, ver Tabla de Materiales) sobre la muestra (2000 rpm para 45 s) y curar la muestra a 120 °C durante 1 min.
  5. Coloque la muestra en el sistema de exposición a inundaciones UV y expóngala durante ~10 s por debajo de 200 mJ/cm2.
  6. Desarrolle la muestra con un revelador fotorresistente (AZ300 MIF, consulte la Tabla de materiales) durante ~ 2 min, y luego enjuague con agua DI.
  7. Sumergir la muestra en un grabado de oro para grabar la capa de oro durante 10 s; enjuague con agua DI y retire la capa fotorresistente restante sumergiéndola en acetona durante 10 min (Figura 2C).
  8. Usando acetona, IPA y agua DI, lave la muestra; hornear en una placa caliente a 75 °C durante 30 min. Luego aplique el segundo proceso de fotolitografía usando la máscara B (Figura suplementaria 1) para modelar los canales de grafeno.
    NOTA: Utilice los mismos parámetros de proceso que el primero (paso 2.4-2.6), excepto el sistema de exposición UV en el alineador de máscaras (Figura 2D).
  9. Sumergir la muestra en níquel etchant a 60 °C para grabar la capa de níquel durante 10 s; enjuague con agua DI; secado por soplado usando N2 (Figura 2D).
  10. Coloque la muestra en el plasma y retire el grafeno expuesto utilizando plasma de oxígeno (100 W durante 90 s con flujo de oxígeno a 49 sccm); después de eso, retire la capa fotorresistente sumergiéndola en acetona durante 10 minutos (Figura 2E).
  11. Lave la muestra con acetona, IPA y agua DI; hornear en una placa caliente a 75 °C durante 30 min y aplicar el tercer proceso de fotolitografía utilizando la máscara C (Figura suplementaria 1) para el modelado de la capa fotorresistente de pasivación para proteger el grafeno subyacente en el sustrato. Utilice los mismos parámetros de proceso que el primero (paso 2.4-2.6), excepto el sistema de exposición a los rayos UV en el alineador de máscaras (Figura 2F).
  12. Después del tercer proceso de fotolitografía, sumerja la muestra en níquel grabado a 60 °C durante 10 s para eliminar la capa de níquel restante; luego enjuague con agua DI y seque con N2 (Figura 2G). Finalmente, hornee la muestra en una placa caliente a 120 °C durante 30 min (Figura 2H).

3. Funcionalización de GFET para la detección de IgG

  1. Ensamble el canal de entrega de muestras.
    1. Fabricación del canal muestra-entrega en PDMS utilizando técnicas de litografía blanda31.
    2. Sumergir el dispositivo de grafeno en 0,1 M de solución de NaOH durante 30 s; enjuague con agua DI y deje una capa de agua delgada en la superficie del dispositivo para ayudar a la alineación y unión del pozo PDMS. Luego active la superficie del pozo PDMS usando plasma de oxígeno.
    3. Alinear el canal de entrega de muestras y el dispositivo de grafeno bajo un microscopio; coloque el dispositivo alineado en un horno de 60 °C durante 3 h para permitir la unión. El dispositivo ensamblado se muestra en la Figura 3A.
  2. Funcionalizar el GFET.
    1. Funcionalizar la superficie de grafeno con aptámero IgG (ver Tabla de Materiales). Use pipetas para cargar y quitar cada reactivo o búfer del pozo PDMS. El proceso esquemático se muestra en la Figura 4.
      NOTA: Los siguientes pasos se operaron a temperatura ambiente.
    2. Después de enjuagar la superficie de grafeno con DMSO tres veces, aplique 1-pireno ácido butírico N-hidroxisuccinimida éster (PBASE, 10 mM disuelto en DMSO, ver Tabla de Materiales) y mantener durante 2 h.
    3. Después de enjuagar con DMSO, aplique el aptámero IgG 5'amino-modificado (20 μM en 1x PBS), incube durante 3 h y enjuague con 1x PBS tres veces.
    4. Aplique albúmina sérica bovina (BSA, 10% p/v en 1x PBS) sobre grafeno durante 1 h y enjuague con 1x PBS tres veces.

4. Detección de IgG

  1. Enjuague el dispositivo con 0.01x PBS tres veces. Llene bien el PDMS con PBS 0.01x (búfer de detección) (Figura 3A, B).
  2. Conecte los electrodos con un analizador de parámetros de alto rendimiento (consulte la Tabla de materiales). Conecte el electrodo de la fuente a la tierra, el drenaje y los electrodos de compuerta a las unidades de medida de la fuente (SMU 1 y SMU 2) equipadas con el analizador de parámetros, respectivamente (Figura 3C).
  3. Configure los parámetros de medición y active el proceso de muestreo.
  4. Pruebe la respuesta del EGGFET a igG monitoreando continuamente la corriente de drenaje. Disuelva IgG en PBS 0.01x con diferentes concentraciones, agregue la solución a la cámara de detección y controle la corriente de drenaje continuamente. Guarde los datos.

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Representative Results

Los resultados representativos muestran el grafeno CVD transferido caracterizado por Raman y AFM, respectivamente. El pico G y los picos 2D de la imagen Raman proporcionan información completa sobre la existencia y la calidad del grafeno monocapa transferido32 (Figura 1). Se aplicaron procesos de litografía estándar 30,31 para la fabricación del dispositivo GFET, como se muestra en la Figura 2. La Figura 3 muestra el GFET fabricado con pozos de entrega de muestras PDMS ensamblados y la configuración experimental. El PDMS se mezcló a una relación de peso de 10: 1 y se fundió en una placa de Petri. Luego, todo el plato con mezcla PDMS se horneó en un horno a 60 ° C durante 3 h. El PDMS curado se despegó del plato y se recortó en un cubo (1 cm x 1 cm × 1 cm). El pozo (6 mm de diámetro) se creó perforando el cubo PDMS con un perforador.

Los procesos de funcionalización esquemática para la detección de IgG por EGGFET se muestran en la Figura 4, y la Figura 5 muestra la detección de IgG bajo diferentes condiciones electrolíticas24. PBASE, un reactivo de funcionalización ampliamente utilizado para el grafeno, se puede adsorber en la superficie del grafeno a través de una interacción π-π24 sin dañar las propiedades eléctricas del grafeno (Figura 4A). Un aptámero IgG 5′amino-modificado es conjugado con PBASE por los enlaces de enlace amida entre el éster reactivo N-hidroxisuccinimida (NHS) en PBASE y el grupo amina en el extremo 5′ del aptámero IgG (Figura 4B). La incubación de albúmina sérica bovina (BSA), un enfoque estándar para la detección de biosensores, se utilizó para bloquear los sitios no conjugados restantes después de enjuagar el dispositivo con 1x PBS (Figura 4C). Una discusión más detallada se puede encontrar en nuestro trabajo publicado anteriormente24. Se aplicó el electrodo de referencia Ag/AgCl para definir el potencial de compuerta durante la detección. Se determina que el rango de detección, el rango de concentración que un sensor puede medir de manera confiable, es de alrededor de ~ 2-50 nM para el dispositivo EGGFET. Anteriormente se informaron discusiones más detalladas sobre los principios químicos y de medición involucrados en la detección de IgG y la sensibilidad y el límite de detección de EGGFET24.

Figure 1
Figura 1: El grafeno CVD se caracteriza por espectroscopia Raman y AFM. (A) Espectro Raman representativo del grafeno transferido. El pico G y los picos 2D son los picos predominantes del grafeno prístino. (B) Imagen representativa AFM del grafeno. Los perfiles de altura correspondientes en la imagen AFM se muestran en el panel inferior a lo largo de la línea discontinua azul. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Fabricación esquemática del transistor de efecto de campo de grafeno. (A) Grafeno monocapa transferido a sustratos de dióxido de silicio. (B) Níquel y oro depositados en grafeno transferido. (C) Oro grabado después del primer proceso de fotolitografía. (D) Níquel grabado después del segundo proceso de fotolitografía. (E) Eliminación de grafeno sin protección utilizando plasma de oxígeno. (F) Recubrimiento del patrón con fotorresistente para la superposición de pasivación y realización del tercer proceso de fotolitografía. (G) Níquel grabado después del tercer proceso de fotolitografía. (H) Recocido después de grabar níquel. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Dispositivo y configuración experimental para la detección de IgG. (A) El biosensor EGGFET integrado con un electrodo de referencia Ag/AgCl estándar y un pozo PDMS para contener la muestra. (B) La vista ampliada del canal de grafeno. (C) El diagrama esquemático de la conexión del circuito para la detección de IgG utilizando el biosensor EGGFET. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Funcionalización de la superficie de grafeno para la detección de IgG. Reimpreso con permiso de la Referencia24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: La respuesta del biosensor EGGFET al biomarcador IgG bajo diferentes diluyentes. Reimpreso con permiso de la Referencia24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura complementaria 1: Diseños de máscaras utilizados para procesos de fotolitografía. (A) El diseño de la máscara utilizado en el primer proceso de fotolitografía. Los electrodos se dan con dimensiones en la imagen ampliada A1. (B) Diseño de máscara utilizado en la segunda fotolitografía con dimensiones. (C) Diseño de máscara utilizado en el tercer proceso de fotolitografía. Los electrodos se dan con dimensiones en la imagen ampliada C1. (D) El producto final de los tres procesos de fotolitografía y la imagen ampliada D1 muestra las configuraciones de los electrodos. Las unidades para las dimensiones están en milímetros (mm). Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

El grafeno CVD comprado en la película de cobre debe recortarse al tamaño correcto para los siguientes pasos de fabricación. El corte de las películas puede causar arrugas, lo que debe prevenirse. Los parámetros proporcionados en la etapa de fabricación se pueden consultar para el grabado en plasma de grafeno, y estos números pueden variar cuando se utilizan diferentes instrumentos. La muestra grabada debe ser monitoreada e inspeccionada de cerca para garantizar un grabado completo de grafeno. Se pueden aplicar múltiples métodos de limpieza previa para limpiar los sustratos, como la sonicación en acetona, IPA y agua DI durante 5 min, enjuague con agua DI y secado o tratamiento con gas nitrógeno con plasma O2 (300 W, a ~ 100 sccm durante 5 min). La tasa de grabado de cobre es de aproximadamente 1.25-1.67 micras / min mientras se usa el grabado de cobre de cloruro férrico comercial. La observación cercana es necesaria para el proceso de grabado. Después del grabado, se necesita un enjuague suficiente con agua DI.

La técnica de limpieza de acetona mencionada en el protocolo es la técnica óptima de limpieza de residuos. La limpieza con plasma tiene el riesgo de dañar el grafeno monocapa. Por lo tanto, la técnica más amigable con la capa de grafeno es la limpieza con acetona. Pero la eliminación de residuos de PMMA también es de importancia primordial, ya que afecta a estos últimos procesos. Hacer espectroscopia Raman y AFM puede dar la calidad en tiempo real del grafeno y el residuo de PMMA. Los instrumentos y los productos químicos utilizados en el protocolo son críticos, ya que influyen directamente en la calidad del dispositivo fabricado. Por lo tanto, la calidad de los instrumentos y la validez de los productos químicos deben verificarse y actualizarse.

PBASE debe mantenerse seco y almacenarse en un congelador de -20 °C para evitar la hidrólisis para la funcionalización de los biorreceptores. El vial almacenado debe alcanzar la temperatura ambiente antes de abrirlo; de lo contrario, el agua podría condensarse dentro del vial e hidrolizar el PBASE. Para hacer 10 mM de PBASE, primero se deben preparar 100 mM de solución de PBASE disolviendo 38,5 mg de PBASE en 1 ml de DMSO y luego diluyéndola por un factor de 10.

Debido a que los reactivos y los búferes se agregaron o eliminaron mediante pipeteo directamente en el pozo PDMS, el dispositivo demostrado en el manuscrito no permitiría una calibración in situ con control negativo. Para ello sería necesaria una matriz multicanal integrada con un dispositivo microfluídico correctamente diseñado. Un mayor desarrollo del dispositivo, como combinarlo con una plataforma de flujo lateral, proporcionaría un gran potencial para las aplicaciones en el punto de atención33. Además, la interfaz entre sólido y líquido es un tema de gran importancia científica y tecnológica34. Por ejemplo, en el caso particular de los medios acuosos y el grafeno, desempeña un papel crucial en muchas aplicaciones emergentes del grafeno, por ejemplo, química analítica35, almacenamiento y conversiónde energía 36, filtraciónde agua 37 y biodetección38. Desentrañar el comportamiento en la interfaz tiene una importancia científica y técnica esencial, especialmente para una comprensión precisa y más profunda de las propiedades y aplicaciones prácticas del grafeno39,40.

En el presente trabajo, se proporciona un protocolo detallado para demostrar el desarrollo del biosensor EGGFET y su aplicación en la detección de biomarcadores. Para usos prácticos del grafeno CVD transferido por el enfoque de PMMA, es fundamental eliminar los residuos de PMMA por completo para obtener una superficie limpia. El método elimina eficazmente los residuos de PMMA al tiempo que preserva la red de grafeno subyacente. El dispositivo funcional muestra resultados consistentes para detectar IgG humana. Los investigadores interesados podrían utilizar este protocolo como referencia para construir dispositivos para aplicaciones específicas, como el estudio de las interacciones de la interfaz, la biodetección, el desarrollo de dispositivos similares utilizando otros nanomateriales, etc.

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Disclosures

Los autores no tienen intereses en conflicto o intereses en conflicto que revelar.

Acknowledgments

Los experimentos se llevaron a cabo en la Universidad de Virginia Occidental. Reconocemos las Instalaciones de Investigación Compartidas de la Universidad de Virginia Occidental para la fabricación de dispositivos y la caracterización de materiales. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos bajo la Subvención 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).

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Ingeniería Número 180 Grafeno depositado en vapor químico (CVD) transferencia de grafeno transistor de efecto de campo detección de biomarcadores
Desarrollo y funcionalización del transistor de efecto de campo de grafeno activado por electrolitos para la detección de biomarcadores
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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).

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