Opracowanie i funkcjonalizacja grafenowego tranzystora polowego bramkowanego elektrolitem do detekcji biomarkerów
1 lutego 2022
Obecny protokół demonstruje rozwój biosensora grafenowego tranzystora polowego (EGGFET) bramkowanego elektrolitem i jego zastosowanie w wykrywaniu biomarkerów immunoglobuliny G (IgG).
Metoda skutecznie usuwa pozostałości PMMA, zachowując jednocześnie leżącą pod spodem siatkę grafenową. Funkcjonalne urządzenie wykazuje spójne wyniki w wykrywaniu przeciwciał IgG w surowicy krwi. Protokół zapewnia również implementację grafenu CVD w czasie rzeczywistym, bezznacznikowym urządzeniu biosensorycznym.
Kroki są dość proste i można je wykonać przy minimalnym treningu. Urządzenie oferuje wysoką selektywność, wysoką czułość i wykrywanie w czasie rzeczywistym w porównaniu z innymi urządzeniami biodetencyjnymi Zacznij od przecięcia arkusza grafenu na podłożu miedzianym na pół za pomocą skalpela. Zastosuj taśmę żaroodporną, aby przymocować cztery rogi kwadratu grafenowego na uszczelce obrotowej.
Kwadratowy arkusz grafenu należy pokryć cienką warstwą od 100 do 200 nanometrów PMMA 495K A4, obracając się z prędkością 500 obrotów na minutę przez 10 sekund, a następnie 2 000 obrotów na minutę przez 50 sekund. Następnie piecz próbkę w temperaturze 150 stopni Celsjusza przez pięć minut. Usuń tylną stronę grafenu za pomocą plazmy tlenowej o mocy 30 watów, używając przepływu o szybkości 15 standardowych centymetrów sześciennych na minutę przez pięć minut.
Wytnij kwadrat grafenowy poddany obróbce plazmowej na wymiar jednego centymetra szerokości i dwóch centymetrów wysokości w celu wytworzenia urządzenia. Pokrój wstępnie oczyszczone podłoże krzemionkowe na małe kawałki o przybliżonej szerokości czterech centymetrów i wysokości dwóch centymetrów. Wytrawić miedź za pomocą wytrawiacza grafenowego chlorku żelaza bez rozcieńczania.
Unieś próbkę miedzianą stroną do dołu i stroną PMMA do góry na płynnym wytrawiaczu. Po wytrawieniu miedzią powoli podnieś folię grafenową za pomocą podłoża poddanego obróbce plazmowej. Suszyć przeniesioną folię grafenową na powietrzu przez dwie godziny, a następnie piec na gorącej płycie.
Aby usunąć PMMA, zacznij od podgrzania próbki parą acetonu w temperaturze 70 stopni Celsjusza, trzymając próbkę około dwóch centymetrów nad parą acetonu przez cztery minuty stroną z PMMA skierowaną w dół. Następnie zanurzyć próbkę w acetonie na pięć minut. Ostrożnie umyć próbkę wodą dejonizowaną.
Na koniec delikatnie wysusz próbkę azotem. Umyj podłoże przeniesionym grafenem za pomocą acetonu, alkoholu izopropylowego i wody dejonizowanej. Następnie piecz podłoże na gorącej płycie w temperaturze 75 stopni Celsjusza przez 30 minut.
Za pomocą parownika wiązki elektronów osadź nikiel i złoto o grubości odpowiednio 5 i 45 nanometrów na próbce grafenu. Zastosuj pierwszy proces fotolitografii przy użyciu maski A do wzoru elektrod. Wirować dodatni fotorezystor AZ 5214E na próbce z prędkością 2 000 obrotów na minutę przez 45 sekund i utwardzać próbkę w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez jedną minutę.
Umieścić próbkę w systemie ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe i naświetlać ją przez około 10 sekund w temperaturze poniżej 200 milidżuli na centymetr kwadratowy. Wywołaj próbkę za pomocą wywoływacza fotorezystu AZ 300 MIF przez około dwie minuty, a następnie spłucz wodą dejonizowaną. Zanurz próbkę w złotym wytrawiaczu, aby wytrawić warstwę złota na 10 sekund, spłucz wodą dejonizowaną i usuń pozostałą warstwę fotorezystu, zanurzając ją w acetonie na 10 minut.
Używając acetonu, alkoholu izopropylowego i wody dejonizowanej, umyj próbkę, a następnie piecz na płycie grzejnej w temperaturze 75 stopni Celsjusza przez 30 minut. Następnie zastosuj drugi proces fotolitografii za pomocą maski B, aby nadać wzór kanałom grafenowym. Zanurz próbkę w wytrawiaczu niklowym w temperaturze 60 stopni Celsjusza, aby wytrawić warstwę niklu przez 10 sekund.
Spłucz wodą dejonizowaną i wysusz suszarką przy użyciu azotu. Umieść próbkę w asherze plazmowym i usuń odsłonięty grafen za pomocą plazmy tlenowej. Później usuń warstwę fotorezystu, zanurzając ją w acetonie na 10 minut.
Umyj próbkę acetonem, IPA i wodą dejonizowaną i piecz na gorącej płycie w temperaturze 75 stopni Celsjusza przez 30 minut. Zastosuj trzeci proces fotolitografii przy użyciu maski C, aby nadać wzór warstwie fotorezystu pasywacji w celu ochrony leżącego pod spodem grafenu. Użyj tych samych parametrów procesu, jak wspomniano wcześniej, w tym wirowania z dodatnim fotorezystem, utwardzania próbki i wywoływania za pomocą wywoływacza fotorezystu.
Następnie zanurz próbkę w wytrawiaczu niklowym w temperaturze 60 stopni Celsjusza na 10 sekund, aby usunąć pozostałą warstwę niklu, a następnie spłucz wodą dejonizowaną i wysusz suszarką przy użyciu azotu. Na koniec piecz próbkę na gorącej płycie w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 30 minut. Reprezentatywne wyniki pokazują przeniesiony grafen CVD charakteryzujący się mikroskopią Ramana i siłami atomowymi.
Pijak G i dwuwymiarowe piki obrazu Ramana dostarczają wyczerpujących informacji na temat istnienia i jakości przenoszonego grafenu jednowarstwowego. Rysunek przedstawia bioczujnik EEG FET zintegrowany ze standardową elektrodą referencyjną z chlorku srebra i studzienką polidimetylosiloksanową do przechowywania próbki. Co więcej, powiększony widok kanału grafenowego pokazuje połączenie elektrody źródłowej z ziemią, drenu i elektrod bramki ze źródłem.
PBASE, szeroko stosowany odczynnik funkcjonalizujący grafen, może być absorbowany na powierzchni grafenu poprzez interakcję pi-pi bez uszkadzania właściwości elektrycznych grafenu. Aptamer IgG modyfikowany 5-pierwszymi aminami jest sprzężony z PBASE przez wiązania amidowe między reaktywnym i hydroksy-6 estrem cynamonowym w PBASE a grupą aminową na 5-pierwszym końcu aptameru IgG. Inkubację albuminy surowicy bydlęcej zastosowano w celu zablokowania pozostałych niesprzężonych miejsc po przepłukaniu urządzenia PBS o pojedynczej mocy Rysunek przedstawia wykrywanie IgG w różnych warunkach elektrolitowych.
Jakość grafenu jest kluczem do najlepszej wydajności tego urządzenia. Dlatego podczas wytrawiania plazmowego należy upewnić się, że plazma nie uszkadza użytecznych obszarów grafenu. Ponadto pozostałości PMMA muszą zostać całkowicie oczyszczone, aby uzyskać czystą powierzchnię grafenu.
Funkcjonalne urządzenie wykazuje spójne wyniki w wykrywaniu ludzkich przeciwciał IgG, dzięki czemu procedura może być wykorzystana jako odniesienie do budowy urządzeń z innymi nanomateriałami do badania interakcji międzyfazowych i biodetekcji.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół pokazuje opracowanie biosensora na bazie elektrolitowo sterowanych tranzystorów polowych z grafenu (EGGFET) do wykrywania biomarkerów immunoglobulin G (IgG). Metoda zapewnia wysoką selektywność i czułość, umożliwiając jednocześnie czasowe, bezznacznikowe biosensorowe wykrywanie.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biotechnologia
- Elektronika
Tło
- Grafen jest obiecującym materiałem do zastosowań biosensorowych.
- Tranzystory sterowanie elektrolitowo mogą poprawić wydajność biosensorów.
- Immunoglobulina G (IgG) jest kluczowym biomarkerem w różnych chorobach.
- Wykrywanie w czasie rzeczywistym jest niezbędne dla skutecznej diagnostyki.
Cel badania
- Opracowanie biosensora za pomocą technologii EGGFET.
- Demonstracja zastosowania biosensora w wykrywaniu IgG.
- Dostarczenie prostej instrukcji dla naukowców.
Zastosowane metody
- Cięcie arkuszy grafenu na podłożu miedzianym.
- Zastosowanie taśmy odpornej na ciepło do zamocowania grafenu.
- Wykorzystanie grafenu CVD do produkcji urządzenia.
- Testowanie urządzenia za pomocą próbek surowicy krwi na obecność IgG.
Główne wyniki
- Urządzenie pokazuje spójne wyniki w wykrywaniu przeciwciał IgG.
- Osiągnięto wysoką selektywność i czułość.
- Potwierdzono zdolność do wykrywania w czasie rzeczywistym.
- Metoda skutecznie usuwa pozostałości PMMA bez uszkadzania grafenu.
Wnioski
- Biosensor EGGFET jest obiecującym narzędziem do wykrywania biomarkerów.
- Oferuje zalety w porównaniu z tradycyjnymi metodami biosensorowymi.
- Prosta implementacja czyni go dostępnym dla naukowców.
Często zadawane pytania
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.
