Ontwikkeling en functionalisering van elektrolyt-gated grafeen veldeffecttransistor voor biomarkerdetectie
1 februari 2022
Het huidige protocol demonstreert de ontwikkeling van elektrolyt-gated grafeen veldeffect transistor (EGGFET) biosensor en de toepassing ervan in biomarker immunoglobuline G (IgG) detectie.
De methode verwijdert effectief PMMA-residu met behoud van het onderliggende grafeenrooster. Het functionele apparaat toont consistente resultaten bij het detecteren van IgG-antilichamen in bloedserum. Ook zorgt het protocol voor de implementatie van CVD grafeen in een realtime, labelvrij biosensing apparaat.
De stappen zijn vrij eenvoudig en kunnen worden gedaan met minimale training. Het apparaat biedt een hoge selectiviteit, hoge gevoeligheid en realtime detectie ten opzichte van andere biosensing-apparaten Begin met het doormidden snijden van de grafeenplaat op een koperen substraat met behulp van een scalpel. Breng hittebestendige tape aan om de vier hoeken van het grafeenvierkant op een spinnerpakking te bevestigen.
Spin de vierkante plaat van het grafeen met een dunne laag van 100 tot 200 nanometer PMMA 495K A4, draai met 500 rotaties per minuut gedurende 10 seconden en vervolgens 2.000 rotaties per minuut gedurende 50 seconden. Bak het monster vervolgens vijf minuten op 150 graden Celsius. Verwijder de achterkant van het grafeen met zuurstofplasma op 30 watt met een snelheidsdebiet van 15 standaard kubieke centimeter per minuut gedurende vijf minuten.
Snijd het met plasma behandelde grafeen vierkant in een afmeting van één centimeter breed en twee centimeter hoog voor de fabricage van het apparaat. Snijd het voorgezuiverde silicasubstraat in kleine stukjes met een breedte van ongeveer vier centimeter en een hoogte van twee centimeter. Ets het koper af met behulp van het grafeenetsmiddel ijzerchloride zonder verdunning.
Drijf het monster met de koperen kant naar beneden en de PMMA-kant naar boven op het vloeibare etsmiddel. Til na het etsen van koper de grafeenfilm langzaam op met behulp van het met plasma behandelde substraat. Droog de overgebrachte grafeenfilm twee uur aan de lucht en bak vervolgens op een hete plaat.
Om PMMA te verwijderen, begint u met het opwarmen van het monster met aceondomp bij 70 graden Celsius door het monster ongeveer twee centimeter boven acetondamp gedurende vier minuten te houden met de PMMA-zijde naar beneden gericht. Dompel het monster vervolgens vijf minuten onder in aceton. Was het monster voorzichtig met gedeïoniseerd water.
Föhn het monster ten slotte voorzichtig met stikstof. Was het substraat met het overgebrachte grafeen met aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water. Bak het substraat vervolgens gedurende 30 minuten op een hete plaat op 75 graden Celsius.
Zet met behulp van een elektronenbundelverdamper nikkel en goud van respectievelijk 5 en 45 nanometer dikte af op het grafeenmonster. Breng het eerste fotolithografieproces aan met masker A voor het patroon van de elektroden. Draai AZ 5214E positieve fotoresist op het monster met 2.000 rotaties per minuut gedurende 45 seconden en laat het monster gedurende één minuut uitharden bij 120 graden Celsius.
Plaats het monster in het ultraviolette overstromingsblootstellingssysteem en stel het ongeveer 10 seconden bloot onder 200 millijoules per vierkante centimeter. Ontwikkel het monster met een fotoresistente ontwikkelaar AZ 300 MIF gedurende ongeveer twee minuten en spoel vervolgens af met gedeïoniseerd water. Dompel het monster onder in een gouden etsmiddel om de gouden laag gedurende 10 seconden te etsen, spoel af met gedeïoniseerd water en verwijder de resterende fotoresistente laag door gedurende 10 minuten in aceton te dompelen.
Gebruik aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water en was het monster gevolgd door bakken op een hete plaat op 75 graden Celsius gedurende 30 minuten. Pas vervolgens het tweede fotolithografieproces toe met masker B om de grafeenkanalen te modelleren. Dompel het monster onder in nikkeletsmiddel bij 60 graden Celsius om de nikkellaag gedurende 10 seconden te etsen.
Spoel af met gedeïoniseerd water en föhn met stikstof. Plaats het monster in de plasma-asher en verwijder het blootgestelde grafeen met behulp van zuurstofplasma. Verwijder later de fotoresistente laag door gedurende 10 minuten in aceton te dompelen.
Was het monster met aceton, IPA en gedeïoniseerd water en bak gedurende 30 minuten op een hete plaat bij 75 graden Celsius. Pas het derde fotolithografieproces toe met masker C om de passiveringsfotoresistente laag te patroon om het onderliggende grafeen op het substraat te beschermen. Gebruik dezelfde procesparameters als eerder vermeld, waaronder draaien met positieve fotoresist, het uitharden van het monster en ontwikkelen met een ontwikkelaar van fotoresistente.
Dompel het monster later gedurende 10 seconden onder in nikkeletsmiddel bij 60 graden Celsius om de resterende nikkellaag te verwijderen en spoel vervolgens met gedeïoniseerd water en föhn het met stikstof. Bak het monster ten slotte gedurende 30 minuten op een hete plaat op 120 graden Celsius. De representatieve resultaten tonen het overgedragen CVD-grafeen gekenmerkt door Raman en atoomkrachtmicroscopie.
De G-piek en de tweedimensionale pieken van het Raman-beeld geven uitgebreide informatie over het bestaan en de kwaliteit van het overgedragen monolaaggrafeen. De figuur toont EEG FET biosensor geïntegreerd met een standaard zilver in zilverchloride referentie elektrode en een polydimethyl siloxaan put voor het bevatten van het monster. Verder toont de vergrote weergave van het grafeenkanaal de verbinding met de bronelektrode met de grond, de afvoer en de poortelektroden naar de bron.
PBASE, een veelgebruikt functionalisatiereagens voor grafeen, kan op het grafeenoppervlak worden geabsorbeerd door middel van een pi-pi-interactie zonder de elektrische eigenschappen van grafeen te beschadigen. Een 5-priem amino-gemodificeerd IgG-aptamer wordt geconjugeerd met PBASE door de amidebindingsverbindingen tussen de reactieve en hydroxy-6 cinnamide-ester in PBASE en de aminegroep op het 5-priemeinde van het IgG-aptameer. Runderserumalbumine-incubatie werd gebruikt om de resterende niet-geconjugeerde plaatsen te blokkeren na het spoelen van het apparaat met PBS met enkele sterkte De figuur toont de IgG-detectie onder verschillende elektrolytomstandigheden.
De kwaliteit van het grafeen is de sleutel tot de beste prestaties van dit apparaat. Dus tijdens plasma-etsen moet ervoor worden gezorgd dat het plasma de nuttige gebieden van het grafeen niet schaadt. Ook moeten de PMMA-residuen helemaal worden gereinigd om een schoon grafeenoppervlak te krijgen.
Het functionele apparaat toont consistente resultaten bij het detecteren van menselijk IgG-antilichaam, dus de procedure kan worden gebruikt als referentie om apparaten te bouwen met andere nanomaterialen om interface-interacties en biosensing te bestuderen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol demonstreert de ontwikkeling van een elektrolyt-gepoort grafeenveldeffecttransistor (EGGFET) biosensor voor de detectie van immunoglobuline G (IgG) biomarkers. De methode zorgt voor hoge selectiviteit en gevoeligheid terwijl het real-time, label-vrij biosensing mogelijk maakt.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biotechnologie
- Elektronica
Achtergrond
- Grafeen is een veelbelovend materiaal voor biosensing toepassingen.
- Elektrolyt-gepoort transistors kunnen de prestaties van biosensoren verbeteren.
- Immunoglobuline G (IgG) is een cruciale biomarker bij verschillende ziekten.
- Real-time detectie is essentieel voor effectieve diagnostiek.
Doel van de studie
- Om een biosensor te ontwikkelen met behulp van EGGFET technologie.
- Om de toepassing van de biosensor in IgG detectie te demonstreren.
- Om een eenvoudig protocol te bieden dat onderzoekers kunnen volgen.
Gebruikte methoden
- Grafeen vellen snijden op een koper substraat.
- Hittebestendig tape aanbrengen om het grafeen te beveiligen.
- CVD grafeen gebruiken voor apparaatfabriek.
- Het apparaat testen met bloedserum monsters voor IgG detectie.
Belangrijkste resultaten
- Het apparaat toont consistente resultaten bij het detecteren van IgG antilichamen.
- Hoge selectiviteit en gevoeligheid werden bereikt.
- Real-time detectie mogelijkheden werden bevestigd.
- De methode verwijdert effectief PMMA residuen zonder het grafeen te beschadigen.
Conclusies
- De EGGFET biosensor is een veelbelovend hulpmiddel voor biomarker detectie.
- Het biedt voordelen ten opzichte van traditionele biosensing methoden.
- Eenvoudige implementatie maakt het toegankelijk voor onderzoekers.
Veelgestelde vragen
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.
