Summary
Mevcut protokol, elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET) biyosensörünün gelişimini ve biyobelirteç immünoglobulin G (IgG) tespitindeki uygulamasını göstermektedir.
Abstract
Mevcut çalışmada, grafen ve türevleri araştırıldı ve elektronik, algılama, enerji depolama ve fotokataliz dahil olmak üzere birçok uygulama için kullanıldı. Yüksek kalite, iyi homojenlik ve düşük kusurlu grafenin sentezi ve üretimi, yüksek performanslı ve son derece hassas cihazlar için kritik öneme sahiptir. Birçok sentez yöntemi arasında, grafen üretiminde önde gelen bir yaklaşım olarak kabul edilen kimyasal buhar biriktirme (CVD), grafen katmanlarının sayısını kontrol edebilir ve yüksek kaliteli grafen verebilir. CVD grafeninin, pratik uygulamalar için üzerinde yetiştirildiği metal substratlardan yalıtım substratlarına aktarılması gerekir. Bununla birlikte, grafenin yeni substratlara ayrılması ve aktarılması, grafenin yapılarına ve özelliklerine zarar vermeden veya etkilemeden düzgün bir tabaka için zordur. Ek olarak, elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET), yüksek hassasiyeti ve standart cihaz konfigürasyonu nedeniyle çeşitli biyomoleküler algılamalardaki geniş uygulamaları için gösterilmiştir. Bu makalede, poli (metil metakrilat) (PMMA) destekli grafen transfer yaklaşımı, grafen alan etkili transistör (GFET) imalatı ve biyobelirteç immünoglobulin G (IgG) tespiti gösterilmiştir. Aktarılan grafeni karakterize etmek için Raman spektroskopisi ve atomik kuvvet mikroskobu uygulandı. Yöntemin, elektronik veya biyosensing uygulamaları için altta yatan grafen kafesi yalıtkan bir substrat üzerine korurken temiz ve kalıntısız grafenin aktarılması için pratik bir yaklaşım olduğu gösterilmiştir.
Introduction
Grafen ve türevleri, elektronik 1,2, algılama 3,4,5, enerji depolama 6,7 ve fotokataliz 1,6,8 dahil olmak üzere birçok uygulama için araştırıldı ve kullanıldı. Yüksek kalite, iyi homojenlik ve düşük kusurlu grafenin sentezi ve üretimi, yüksek performanslı ve son derece hassas cihazlar için kritik öneme sahiptir. 2009 yılında Kimyasal buhar biriktirme (CVD) geliştirilmesinden bu yana, muazzam bir umut vaat etti vegrafen ailesinin 9,10,11,12,13 temel bir üyesi olarak yerini aldı. Metal bir substrat üzerinde yetiştirilir ve daha sonra pratik kullanımlar için yalıtım substratları14'e aktarılır. Son zamanlarda CVD grafenini transfer etmek için çeşitli transfer yöntemleri kullanılmıştır. Poli (metil metakrilat) (PMMA) destekli yöntem, farklı teknikler arasında en çok kullanılanıdır. Bu yöntem, büyük ölçekli kapasitesi, düşük maliyeti ve aktarılan grafenin yüksek kalitesi nedeniyle endüstriyel kullanım için özellikle uygundur14,15. Bu yöntemin kritik yönü, CVD grafeninin uygulamaları için PMMA kalıntısından kurtulmaktır, çünkü kalıntılar grafen14,15,16'nın elektronik özelliklerinin azalmasına neden olabilir, biyosensörlerin duyarlılığı ve performansı üzerinde bir etkiye neden olabilir 17,18 ve önemli cihazdan cihaza varyasyonlar yaratabilir 19.
Nanomalzeme bazlı biyosensörler, silikon nanotel (SiNW), karbon nanotüp (CNT) ve grafen20 dahil olmak üzere son yıllarda önemli ölçüde araştırılmıştır. Tek atom katmanlı yapısı ve ayırt edici özellikleri nedeniyle, grafen üstün elektronik özellikler, iyi biyouyumluluk ve kolay işlevsellik gösterir ve bu da onu biyosensörlerin geliştirilmesi için çekici bir malzeme haline getirir 14,21,22,23. Yüksek hassasiyet, standart konfigürasyon ve uygun maliyetli kütle üretilebilirliği21,24 gibi alan etkili transistörler (FET) özellikleri nedeniyle, FET taşınabilir ve bakım noktası uygulamalarında diğer elektronik tabanlı biyosensing cihazlarına göre daha fazla tercih edilmektedir. Elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET) biyosensörleri, belirtilen FET'lerin21,24'üne örnektir. EGGFET, nükleik asitler 25, proteinler 24,26, metabolitler 27 ve diğer biyolojik olarak ilgili analitler 28 gibi çeşitli hedefleme analitlerini tespit edebilir. Burada bahsedilen teknik, CVD grafeninin, diğer biyo-algılama cihazlarına göre daha yüksek hassasiyet ve doğru zaman tespiti sunan etiketsiz bir biyo-algılama nanoelektronik cihazında uygulanmasını sağlar29.
Bu çalışmada, CVD grafeninin bir yalıtım substratına, Raman'a ve aktarılan grafenin AFM karakterizasyonlarına aktarılması da dahil olmak üzere, bir EGGFET biyosensörü geliştirmek ve biyobelirteç tespiti için işlevselleştirmek için genel bir süreç gösterilmiştir. Ayrıca, EGGFET'in imalatı ve polidimetilsiloksan (PDMS) numune dağıtımı ile entegrasyon, biyoreseptör fonksiyonelleştirmesi ve insan immünoglobulin G'nin (IgG) serumdan spike ve geri kazanım deneyleri ile başarılı bir şekilde saptanması da burada tartışılmaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Grafenin kimyasal buhar birikiminin aktarılması
- Makas kullanarak grafen tabakayı bakır bir substrat üzerinde ikiye (2,5 cm x 5 cm) kesin. Grafen karesinin dört köşesini bir eğirici conta üzerine sabitlemek için ısıya dayanıklı bant uygulayın (bkz.
NOT: Satın alınan grafen 5 cm x 5 cm boyutlarındadır (bkz. - Grafen levhasını, 10 s için 500 rpm'de ve daha sonra 50 s için 2000 rpm'de dönen ince bir PMMA 495K A4 tabakası (100-200 nm) ile spine-kaplayın. Daha sonra numuneyi 5 dakika boyunca 150 ° C'de pişirin.
- Grafenin arka tarafını oksijen plazması ile çıkarın (bakınız Malzeme Tablosu) 30 W, 15 sccm 5 dakika boyunca.
- Cihaz üretimi için plazma ile işlenmiş grafen kareyi daha küçük boyutlara (1 cm x 2 cm) kesin.
- Önceden temizlenmiş substratı (SiO 2) yaklaşık2,5 cm x 2 cm boyutlarında küçük parçalara bölün.
- Grafen ticari aşındırıcıyı (Ferrik klorür) kullanarak bakırı kazıyın (bkz. Eğrençleri seyreltmeyin. Numuneyi bakır tarafı aşağı ve PMMA tarafı yukarı bakacak şekilde sıvı kazıma üzerinde yüzdürün.
- Bakır aşındırmadan sonra, plazma ile işlenmiş substratı kullanarak grafen filmi yavaşça kaldırın.
- Transfer edilen grafeni 2 saat boyunca hava ile kurutun ve ardından 15 dakika boyunca 80 ° C'de pişirin.
- Aşağıdaki adımları izleyerek PMMA'yı kaldırın.
- Numuneyi 70 °C'de aseton buharı ile ısıtın. Numuneyi, PMMA tarafı aşağı bakacak şekilde 4 dakika boyunca aseton buharının ~2 cm üzerinde tutun. Ardından numuneyi 5 dakika boyunca asetona batırın.
- Numuneyi DI suyuyla dikkatlice yıkayın ve aktarılan grafeni mikroskop altında gözlemleyin. Son olarak, numuneyiN2 ile nazikçe kurulayın.
- PMMA kalıntısız grafen sağlamak için Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) gözlemi gerçekleştirin. Görüntüde PMMA kalıntısı görünüyorsa, aseton buharı temizleme ve daldırma işlemini bir kez daha gerçekleştirin.
- Grafen transferinin tek katmanını doğrulamak ve yüzey özelliklerini gözlemlemek için Raman ve AFM karakterizasyonunu gerçekleştirin (Şekil 1A, B).
2. Grafen Alan Etkili Transistörün (GFET) İmalatı
- Substratı aseton, IPA ve DI suyu kullanarak aktarılan grafen ile yıkayın; daha sonra substratı 30 dakika boyunca 75 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde pişirin (Şekil 2A).
- E-ışın evaporatörü30'u kullanarak ( bakınız Malzeme Tablosu), grafen numunesi üzerinde 5 nm nikel ve 45 nm altın biriktirin (Şekil 2B).
- Elektrotların desenlenmesi için A maskesini (Ek Şekil 1) kullanarak ilk fotolitografi30 işlemini uygulayın (Şekil 2C).
- Numune üzerine pozitif bir fotorezistin (AZ 5214E, bakınız Malzeme Tablosu) döndürülmesi (45 s için 2000 rpm) ve numunenin 1 dakika boyunca 120 °C'de kürlenmesi.
- Numuneyi UV sele maruz kalma sistemine yerleştirin ve 200 mJ /cm2 altında ~ 10 s maruz bırakın.
- Numuneyi ~ 2 dakika boyunca bir fotodirenç geliştiricisi (AZ300 MIF, Malzeme Tablosu'na bakınız) ile geliştirin ve ardından DI suyu ile durulayın.
- Altın tabakayı 10 sn boyunca kazımak için numuneyi altın bir kazımaya batırın; DI suyu ile durulayın ve 10 dakika boyunca asetona batırarak kalan fotodirenç tabakasını çıkarın (Şekil 2C).
- Aseton, IPA ve DI suyu kullanarak numuneyi yıkayın; Sıcak bir tabakta 75 ° C'de 30 dakika pişirin. Ardından, grafen kanallarını modellemek için B maskesini (Ek Şekil 1) kullanarak ikinci fotolitografi işlemini uygulayın.
NOT: Maske hizalayıcısındaki UV ışınlarına maruz kalma sistemi hariç olmak üzere birincisiyle aynı proses parametrelerini kullanın (adım 2.4-2.6) (Şekil 2D). - Nikel tabakasını 10 s boyunca kazımak için numuneyi 60 ° C'de nikel kazıma işlemine batırın; DI su ile durulayın; N2 kullanarak üfleme ile kurutun (Şekil 2D).
- Numuneyi plazma kesicisine yerleştirin ve oksijen plazmasını kullanarak maruz kalan grafeni çıkarın (49 sccm'de oksijen akışı ile 90 s için 100 W); Bundan sonra, 10 dakika boyunca asetona batırarak fotorezistlik tabakasını çıkarın (Şekil 2E).
- Numuneyi aseton, IPA ve DI suyu kullanarak yıkayın; 75 ° C'de bir sıcak plakada 30 dakika pişirin ve substrat üzerindeki altta yatan grafeni korumak için pasivasyon fotorezistans tabakasının desenlenmesi için C maskesini (Ek Şekil 1) kullanarak üçüncü fotolitografi işlemini uygulayın. Maske hizalayıcısındaki UV ışınlarına maruz kalma sistemi hariç olmak üzere birincisiyle aynı proses parametrelerini kullanın (adım 2.4-2.6) (Şekil 2F).
- Üçüncü fotolitografi işleminden sonra, kalan nikel tabakasını çıkarmak için numuneyi 60 ° C'de 10 s boyunca nikel kazıma işlemine batırın; daha sonra DI su ile durulayın veN2 kullanarak fön ile kurutun (Şekil 2G). Son olarak, numuneyi 120 °C'de bir ocakta 30 dakika pişirin (Şekil 2H).
3. IgG Tespiti için GFET'nin İşlevselleştirilmesi
- Örnek teslim kanalını birleştirin.
- Yumuşak litografi tekniklerini kullanarak PDMS'de numune dağıtım kanalını imal edin31.
- Grafen cihazını 30 s için 0,1 M NaOH çözeltisine batırın; DI suyuyla durulayın ve PDMS kuyusunun hizalanmasına ve bağlanmasına yardımcı olmak için cihaz yüzeyinde ince bir su tabakası bırakın. Daha sonra oksijen plazmasını kullanarak PDMS kuyusunun yüzeyini etkinleştirin.
- Örnek dağıtım kanalını ve grafen cihazını mikroskop altında hizalayın; Yapıştırmaya izin vermek için hizalanmış cihazı 60 °C'lik bir fırına 3 saat boyunca yerleştirin. Monte edilen cihaz Şekil 3A'da gösterilmiştir.
- GFET'yi işlevselleştirin.
- IgG aptamer ile grafen yüzeyini işlevselleştirin (bkz. Her bir reaktifi veya tamponu PDMS kuyusundan yüklemek ve çıkarmak için pipetler kullanın. Şematik süreç Şekil 4'te gösterilmiştir.
NOT: Aşağıdaki adımlar oda sıcaklığında çalıştırılmıştır. - Grafen yüzeyini DMSO ile üç kez duruladıktan sonra, 1-piren bütirik asit N-hidroksisüksinamid ester (PBASE, DMSO'da çözünmüş 10 mM, Malzeme Tablosuna bakınız) uygulayın ve 2 saat saklayın.
- DMSO ile duruladıktan sonra, 5'amino modifiye IgG aptamer (1x PBS'de 20 μM) uygulayın, 3 saat inkübe edin ve 1x PBS ile üç kez durulayın.
- Sığır serum albümini (BSA, 1x PBS'de %10 w/v) grafen üzerine 1 saat boyunca uygulayın ve 1x PBS ile üç kez durulayın.
- IgG aptamer ile grafen yüzeyini işlevselleştirin (bkz. Her bir reaktifi veya tamponu PDMS kuyusundan yüklemek ve çıkarmak için pipetler kullanın. Şematik süreç Şekil 4'te gösterilmiştir.
4. IgG algılama
- Cihazı 0,01x PBS ile üç kez durulayın. PDMS'yi 0,01x PBS (algılama arabelleği) ile doldurun (Şekil 3A,B).
- Elektrotları yüksek performanslı bir parametre analizörüne bağlayın (bkz. Kaynak elektrodu zemine, drenaja ve kapı elektrotlarını sırasıyla parametre analizörü ile donatılmış Kaynak Ölçüm Birimlerine (SMU 1 ve SMU 2) bağlayın (Şekil 3C).
- Ölçüm parametrelerini ayarlayın ve örnekleme işlemini açın.
- Drenaj akımını sürekli izleyerek EGGFET'in IgG'ye tepkisini test edin. IgG'yi farklı konsantrasyonlarda 0.01x PBS'de çözün, çözeltiyi algılama odasına ekleyin ve drenaj akımını sürekli izleyin. Verileri kaydedin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Temsili sonuçlar, sırasıyla Raman ve AFM ile karakterize edilen transfer edilen CVD grafenini göstermektedir. Raman görüntüsünün G zirvesi ve 2D tepe noktaları, aktarılan tek katmanlı grafen32'nin varlığı ve kalitesi hakkında kapsamlı bilgi verir (Şekil 1). GFET cihazının imalatı için Şekil 2'de gösterildiği gibi standart litografi işlemleri30,31 uygulanmıştır. Şekil 3, monte edilmiş PDMS numune dağıtım kuyuları ile imal edilmiş GFET'yi ve deney düzeneğini göstermektedir. PDMS, 10: 1 ağırlık oranında karıştırıldı ve bir Petri kabına döküldü. Daha sonra PDMS karışımı ile tüm yemek 3 saat boyunca 60 ° C'de bir fırında pişirildi. Kürlenmiş PDMS çanaktan soyuldu ve bir küpe kesildi (1 cm x 1 cm × 1 cm). Kuyu (6 mm çapında) daha sonra PDMS küpünün bir zımba ile delinmesiyle oluşturuldu.
EGGFET tarafından IgG tespiti için şematik işlevselleştirme süreçleri Şekil 4'te gösterilmiştir ve Şekil 5, farklı elektrolit koşulları altında IgG tespitini göstermektedir24. Grafen için yaygın olarak kullanılan bir işlevselleştirme reaktifi olan PBASE, grafenin elektriksel özelliklerine zarar vermeden π-π etkileşim24 yoluyla grafen yüzeyinde adsorbe edilebilir (Şekil 4A). 5'amino-modifiye edilmiş bir IgG aptamer, PBASE'deki reaktif N-hidroksisüksinamid (NHS) esteri ile IgG aptamerinin 5' ucundaki amin grubu arasındaki amid bağ bağlantıları ile PBASE ile konjuge edilir (Şekil 4B). Biyosensör tespiti için standart bir yaklaşım olan sığır serum albümini (BSA) inkübasyonu, cihazı 1x PBS ile duruladıktan sonra kalan konjuge olmayan bölgeleri bloke etmek için kullanıldı (Şekil 4C). Daha ayrıntılı bir tartışma daha önce yayınlanmış çalışmamız24'te bulunabilir. Ag/AgCl referans elektrodu, algılama sırasında kapı potansiyelini tanımlamak için uygulandı. Bir sensörün güvenilir bir şekilde ölçebileceği konsantrasyon aralığı olan algılama aralığı, EGGFET cihazı için ~ 2-50 nM civarında olarak belirlenmiştir. IgG tespiti ve EGGFET'in duyarlılığı ve tespit limiti ile ilgili kimyasal ve ölçüm prensipleri için daha ayrıntılı tartışmalar daha önce24 olarak bildirilmiştir.
Şekil 1: CVD grafen, Raman ve AFM spektroskopisi ile karakterize edilir . (A) Aktarılan grafenin temsili Raman spektrumu. G zirvesi ve 2D zirveleri, bozulmamış grafenin baskın zirveleridir. (B) Grafenin temsili AFM görüntüsü. AFM görüntüsündeki ilgili yükseklik profilleri, mavi kesikli çizgi boyunca alt panelde gösterilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Grafen alan etkili transistörün şematik üretimi . (A) Silikon dioksit substratlarına aktarılan tek katmanlı grafen. (B) Transfer edilen grafen üzerine yatırılan Nikel ve Altın. (C) İlk fotolitografi işleminden sonra kazınmış altın. (D) İkinci fotolitografi işleminden sonra kazınmış nikel. (E) Oksijen plazması kullanarak korunmasız grafenin uzaklaştırılması. (F) Pasivasyon katmanlaması için deseni fotodirençle kaplamak ve üçüncü fotolitografi işlemini gerçekleştirmek. (G) Üçüncü fotolitografi işleminden sonra kazınmış nikel. (H) Nikelin aşındırılmasından sonra tavlama. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: IgG tespiti için cihaz ve deney düzeneği . (A) Standart bir Ag/AgCl referans elektrodu ve numuneyi içermek için bir PDMS kuyusu ile entegre edilmiş EGGFET biyosensörü. (B) Grafen kanalının büyütülmüş görünümü. (C) EGGFET biyosensörünü kullanarak IgG'yi tespit etmek için devre bağlantısının şematik diyagramı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: IgG tespiti için grafen yüzeyinin işlevselleştirilmesi. Referans24'ün izniyle yeniden basılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: EGGFET biyosensörünün farklı seyrelticiler altında biyobelirteç IgG'ye tepkisi. Referans24'ün izniyle yeniden basılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 1: Fotolitografi işlemlerinde kullanılan maske tasarımları. (A) İlk fotolitografi işleminde kullanılan maske tasarımı. Elektrotlar, büyütülmüş görüntü A1'de boyutlarla verilmiştir. (B) İkinci fotolitografide kullanılan boyutlu maske tasarımı. (C) Üçüncü fotolitografi sürecinde kullanılan maske tasarımı. Elektrotlar, büyütülmüş C1 görüntüsünde boyutlarla verilmiştir. (D) Her üç fotolitografi işleminin nihai ürünü ve büyütülmüş görüntü D1, elektrot konfigürasyonlarını gösterir. Boyutlar için birimler milimetre (mm) cinsindendir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bakır film üzerinde satın alınan CVD grafeninin, aşağıdaki imalat adımları için doğru boyuta kesilmesi gerekir. Filmlerin kesilmesi, önlenmesi gereken kırışıklıklara neden olabilir. İmalat adımında sağlanan parametreler, grafenin plazma aşındırılması için kullanılabilir ve bu sayılar farklı aletler kullanıldığında değiştirilebilir. Kazınmış numune, tam grafen aşındırma sağlamak için yakından izlenmeli ve denetlenmelidir. 5 dakika boyunca aseton, IPA ve DI suyunda sonikasyon, DI su durulama ve azot gazı kurutma veyaO2 plazma ile arıtma (300 W, 5 dakika boyunca ~ 100 sccm'de) gibi substratları temizlemek için çoklu ön temizleme yöntemleri uygulanabilir. Ticari ferrik klorür bakır aşındırma hızı kullanılırken bakır aşındırma oranı yaklaşık 1.25-1.67 mikron / dak'dır. Aşındırma işlemi için yakın gözlem gereklidir. Aşındırmayı takiben, DI suyu ile yeterli bir durulama gereklidir.
Protokolde bahsedilen aseton temizleme tekniği optimum kalıntı temizleme tekniğidir. Plazma temizliği, tek katmanlı grafene zarar verme riskine sahiptir. Bu nedenle, en grafen tabakası dostu teknik aseton temizliğidir. Ancak PMMA kalıntısının giderilmesi, ikinci süreçleri etkilediği için birincil öneme sahiptir. Raman spektroskopisi ve AFM yapmak, grafen ve PMMA kalıntısının gerçek zamanlı kalitesini verebilir. Protokolde kullanılan aletler ve kimyasallar, fabrikasyon cihazın kalitesini doğrudan etkilediği için kritik öneme sahiptir. Bu nedenle, cihazların kalitesi ve kimyasalların geçerliliği kontrol edilmeli ve güncellenmelidir.
PBASE'in kuru tutulması ve biyoreseptör fonksiyonelizasyonu için hidrolizi önlemek için -20 °C dondurucuda saklanması gerekir. Depolanan şişenin açılmadan önce oda sıcaklığına ulaşması gerekir; aksi takdirde, su şişenin içinde yoğunlaşabilir ve PBASE'i hidrolize edebilir. 10 mM PBASE yapmak için, önce 38.5 mg PBASE'i 1 mL DMSO'da çözerek ve daha sonra 10 faktörle seyrelterek 100 mM PBASE çözeltisinin hazırlanması gerekir.
Reaktifler ve tamponlar doğrudan PDMS kuyusuna pipetlenerek eklendiğinden veya çıkarıldığından, makalede gösterilen cihaz, negatif kontrollü bir saha içi kalibrasyona izin vermeyecektir. Bu amaç için uygun şekilde tasarlanmış bir mikroakışkan cihazla entegre edilmiş çok kanallı bir dizi gerekli olacaktır. Cihazın yanal bir akış platformuyla birleştirilmesi gibi daha da geliştirilmesi, bakım noktası uygulamaları için büyük potansiyel sağlayacaktır33. Ek olarak, katı ve sıvı arasındaki arayüz büyük bilimsel ve teknolojik öneme sahip bir konudur34. Örneğin, sulu ortam ve grafenin özel durumunda, analitik kimya35, enerji depolama ve dönüşüm 36, su filtrasyonu37 ve biyosensing38 gibi ortaya çıkan birçok grafen uygulamasında çok önemli bir rol oynar. Arayüzdeki davranışı çözmek, özellikle grafenin özelliklerinin ve pratik uygulamalarının doğru ve daha derinlemesine anlaşılması için temel bilimsel ve teknik öneme sahiptir39,40.
Bu çalışmada, EGGFET biyosensörünün gelişimini ve biyobelirteç tespitindeki uygulamasını göstermek için ayrıntılı bir protokol sağlanmıştır. PMMA yaklaşımı ile aktarılan CVD grafenin pratik kullanımları için, temiz bir yüzey elde etmek için PMMA kalıntılarını tamamen çıkarmak çok önemlidir. Yöntem, altta yatan grafen kafesi korurken PMMA kalıntılarını etkili bir şekilde giderir. İşlevsel cihaz, insan IgG'sini tespit etmek için tutarlı sonuçlar gösterir. İlgilenen araştırmacılar bu protokolü, arayüz etkileşimlerini incelemek, biyolojik algılama, diğer nanomalzemeleri kullanarak benzer cihazlar geliştirmek gibi belirli uygulamalar için cihazlar oluşturmak için bir referans olarak kullanabilirler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların ifşa etmek için rakip çıkarları veya çatışan çıkarları yoktur.
Acknowledgments
Deneyler West Virginia Üniversitesi'nde yapıldı. West Virginia Üniversitesi'ndeki Paylaşılan Araştırma Tesisleri'ne cihaz üretimi ve malzeme karakterizasyonu için teşekkür ederiz. Bu çalışma ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından Hibe No altında desteklenmiştir. 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 |
References
- Saini, D. Synthesis and functionalization of graphene and application in electrochemical biosensing. Nanotechnology Reviews. 5 (4), 393-416 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gao, L., et al. Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum. Nature Communications. 3, 699 (2012).
- 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).
- 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).
- Suvarnaphaet, P., Pechprasarn, S. Graphene-based materials for biosensors: A review. Sensors (Switzerland). 17 (10), 2161 (2017).
- 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).
- 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).
- Xu, S. C., et al. Direct synthesis of graphene on SiO2 substrates by chemical vapor deposition. CrystEngComm. 15 (10), 1840-1844 (2013).
- Zhang, C., et al. Facile synthesis of graphene on dielectric surfaces using a two-temperature reactor CVD system. Nanotechnology. 24 (39), 395603 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xu, S., et al. Direct growth of graphene on quartz substrates for label-free detection of adenosine triphosphate. Nanotechnology. 25 (16), 165702 (2014).
- 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).
- Zhang, A., Lieber, C. M. -
- 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).
- Dankerl, M., et al. Graphene solution-gated field-effect transistor array for sensing applications. Advanced Functional Materials. 20 (18), 3117-3124 (2010).
- He, Q., Wu, S., Yin, Z., Zhang, H.
- Sun, J., Liu, Y. Matrix effect study and immunoassay detection using electrolyte-gated graphene biosensor. Micromachines. 9 (4), 142 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bai, Y., Xu, T., Zhang, X. Graphene-based biosensors for detection of biomarkers. Micromachines. 11 (1), 60 (2020).
- Madou, M. J. Fundamentals of Microfabrication The Science of Miniaturization. 2nd ed. , CRC Press. (2002).
- Xia, Y., Whitesides, G. M.
- Wang, Y. Y., et al. Raman studies of monolayer graphene: The substrate effect. Journal of Physical Chemistry C. 112 (29), 10637-10640 (2008).
- 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).
- Butt, A. Physics and Chemistry of Interfaces. 3rd ed. , WILEY-VCH. (2003).
- Sitko, R., Zawisza, B., Malicka, E. Graphene as a new sorbent in analytical chemistry. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 51, 33-43 (2013).
- Bai, L., et al. Graphene for energy storage and conversion: Synthesis and Interdisciplinary applications. Electrochemical Energy Reviews. 3 (2), 395-430 (2019).
- 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).
- Pumera, M.
- Sun, J., Liu, Y. Unique constant phase element behavior of the electrolyte-graphene interface. Nanomaterials. 9 (7), 923 (2019).
- 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).
