Waiting
Login processing...

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

Engineering

تطوير وتشغيل ترانزستور التأثير الميداني للجرافين ذو بوابات الكهارل للكشف عن المؤشرات الحيوية

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

ويبين هذا البروتوكول تطور الاستشعار الحيوي للترانزستور ذي التأثير الميداني للجرافين (EGGFET) ذو بوابات الإلكتروليت وتطبيقه في الكشف عن الغلوبولين المناعي G (IgG) بالمؤشرات الحيوية.

Abstract

في الدراسة الحالية ، تم التحقيق في الجرافين ومشتقاته واستخدامه للعديد من التطبيقات ، بما في ذلك الإلكترونيات والاستشعار وتخزين الطاقة والتحفيز الضوئي. يعد توليف وتصنيع الجرافين عالي الجودة والتوحيد الجيد والعيوب المنخفضة أمرا بالغ الأهمية للأجهزة عالية الأداء والحساسة للغاية. من بين العديد من طرق التوليف ، يمكن لترسيب البخار الكيميائي (CVD) ، الذي يعتبر نهجا رائدا لتصنيع الجرافين ، التحكم في عدد طبقات الجرافين وإنتاج الجرافين عالي الجودة. يجب نقل الجرافين CVD من الركائز المعدنية التي يزرع عليها على ركائز عازلة للتطبيقات العملية. ومع ذلك ، فإن فصل ونقل الجرافين إلى ركائز جديدة يمثل تحديا لطبقة موحدة دون الإضرار أو التأثير على هياكل الجرافين وخصائصه. بالإضافة إلى ذلك ، تم إثبات ترانزستور التأثير الميداني للجرافين (EGGFET) ذو بوابات الكهارل لتطبيقاته الواسعة في مختلف عمليات الكشف الجزيئية الحيوية بسبب حساسيته العالية وتكوين الجهاز القياسي. في هذه المقالة ، يتم توضيح نهج نقل الجرافين بمساعدة بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) ، وتصنيع ترانزستور التأثير الميداني للجرافين (GFET) ، والكشف عن الغلوبولين المناعي G (IgG) للمؤشرات الحيوية. تم تطبيق التحليل الطيفي لرامان ومجهر القوة الذرية لتوصيف الجرافين المنقول. وتبين أن هذه الطريقة هي نهج عملي لنقل الجرافين النظيف والخالي من المخلفات مع الحفاظ على شبكة الجرافين الأساسية إلى ركيزة عازلة للإلكترونيات أو تطبيقات الاستشعار البيولوجي.

Introduction

تم التحقيق في الجرافين ومشتقاته واستخدامه للعديد من التطبيقات ، بما في ذلك الإلكترونيات 1،2 ، والاستشعار3،4،5 ، وتخزين الطاقة 6،7 ، والتحفيز الضوئي1،6،8. يعد توليف وتصنيع الجرافين عالي الجودة والتوحيد الجيد والعيوب المنخفضة أمرا بالغ الأهمية للأجهزة عالية الأداء والحساسة للغاية. منذ تطوير ترسب البخار الكيميائي (CVD) في عام 2009 ، أظهرت وعدا هائلا وحددت مكانتها كعضو أساسي في عائلة الجرافين9،10،11،12،13. يزرع على ركيزة معدنية ، وفي وقت لاحق للاستخدامات العملية ، يتم نقله إلى ركائز عازلة14. تم استخدام العديد من طرق النقل لنقل الجرافين CVD مؤخرا. طريقة البولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) المساعدة هي الأكثر استخداما بين التقنيات المختلفة. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للاستخدام الصناعي بسبب قدرتها على نطاق واسع ، وانخفاض التكلفة ، والجودة العالية للجرافين المنقول14,15. الجانب الحاسم لهذه الطريقة هو التخلص من بقايا PMMA لتطبيقات الجرافين CVD لأن المخلفات يمكن أن تسبب انحراف الخصائص الإلكترونية للجرافين 14،15،16 ، وتسبب تأثيرا على حساسية أجهزة الاستشعار الحيوية وأدائها 17،18 ، وتخلق اختلافات كبيرة من جهاز إلى جهاز19.

تم التحقيق بشكل كبير في أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على المواد النانوية على مدى العقود الماضية ، بما في ذلك أسلاك السيليكون النانوية (SiNW) ، وأنبوب الكربون النانوي (CNT) ، والجرافين20. بسبب هيكله أحادي الطبقة الذرية وخصائصه المميزة ، يوضح الجرافين خصائص إلكترونية متفوقة ، وتوافقا حيويا جيدا ، وأداء وظيفيا سهلا ، مما يجعله مادة جذابة لتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية14،21،22،23. نظرا لخصائص الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET) مثل الحساسية العالية والتكوين القياسي وقابلية الإنتاج الجماعي الفعالة من حيث التكلفة21,24 ، فإن FET أكثر تفضيلا في التطبيقات المحمولة ونقاط الرعاية من أجهزة الاستشعار البيولوجي الأخرى القائمة على الإلكترونيات. تعد المستشعرات الحيوية للترانزستور ذو التأثير الميداني للجرافين (EGGFET) ذات بوابات الإلكتروليت أمثلة على FETs21,24 المذكورة. يمكن ل EGGFET الكشف عن تحليلات الاستهداف المختلفة مثل الأحماض النووية25 والبروتينات 24,26 والمستقلبات27 وغيرها من التحليلات ذات الصلة بيولوجيا28. تضمن التقنية المذكورة هنا تنفيذ الجرافين CVD في جهاز الإلكترونيات النانوية للاستشعار الحيوي الخالي من الملصقات والذي يوفر حساسية أعلى وكشفا دقيقا للوقت مقارنة بأجهزة الاستشعار الحيوي الأخرى29.

في هذا العمل ، يتم عرض عملية شاملة لتطوير جهاز استشعار حيوي EGGFET وتشغيله للكشف عن المؤشرات الحيوية ، بما في ذلك نقل الجرافين CVD إلى ركيزة عازلة ، Raman ، وتوصيف AFM للجرافين المنقول. علاوة على ذلك ، تتم مناقشة تصنيع EGGFET والتكامل مع توصيل عينة polydimethylsiloxane (PDMS) بشكل جيد ، وتشغيل المستقبلات الحيوية ، والكشف الناجح عن الغلوبولين المناعي البشري G (IgG) من المصل عن طريق تجارب الارتفاع والاسترداد هنا.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. نقل ترسب البخار الكيميائي للجرافين

  1. قطع ورقة الجرافين على ركيزة نحاسية إلى نصفين (2.5 سم × 5 سم) باستخدام مقص. ضع شريطا مقاوما للحرارة لإصلاح الزوايا الأربع لمربع الجرافين على طوقا دوار (انظر جدول المواد).
    ملاحظة: يبلغ بعد الجرافين الذي تم شراؤه 5 سم × 5 سم (انظر جدول المواد).
  2. قم بتغطية ورقة الجرافين بطبقة رقيقة (100-200 نانومتر) من PMMA 495K A4 تدور عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 10 ثوان ثم 2000 دورة في الدقيقة لمدة 50 ثانية. ثم اخبز العينة على حرارة 150 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
  3. قم بإزالة الجانب الخلفي من الجرافين باستخدام بلازما الأكسجين (انظر جدول المواد) عند 30 واط ، 15 sccm لمدة 5 دقائق.
  4. قم بقص مربع الجرافين المعالج بالبلازما إلى أبعاد أصغر (1 سم × 2 سم) لتصنيع الجهاز.
  5. قطع الركيزة التي تم تنظيفها مسبقا (SiO 2) إلى قطع صغيرة ببعد تقريبي يبلغ 2.5 سم ×2 سم.
  6. احفر النحاس باستخدام الجرافين التجاري (كلوريد الحديديك) (انظر جدول المواد). لا تخفف من الحفرة. قم بتعويم العينة مع الجانب النحاسي لأسفل وجانب PMMA لأعلى على الحفر السائل.
  7. بعد النقش على النحاس ، ارفع فيلم الجرافين ببطء باستخدام الركيزة المعالجة بالبلازما.
  8. جفف الجرافين المنقول في الهواء لمدة 2 ساعة ثم اخبزه على درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
  9. قم بإزالة PMMA باتباع الخطوات أدناه.
    1. قم بتسخين العينة ببخار الأسيتون عند 70 درجة مئوية. حافظ على العينة عند ~ 2 سم فوق بخار الأسيتون لمدة 4 دقائق مع توجيه جانب PMMA لأسفل. ثم اغمر العينة في الأسيتون لمدة 5 دقائق.
    2. اغسل العينة بماء DI بحذر وراقب الجرافين المنقول تحت المجهر. أخيرا ، جفف العينة بلطف باستخدام N2.
    3. قم بإجراء مراقبة مجهرية للقوة الذرية (AFM) لضمان خلو الجرافين من بقايا PMMA. إذا كانت بقايا PMMA مرئية في الصورة ، فقم بإجراء تنظيف بخار الأسيتون وغمره مرة أخرى.
  10. قم بإجراء توصيف Raman و AFM لتأكيد الطبقة الأحادية لنقل الجرافين ومراقبة خصائص السطح (الشكل 1A ، B).

2. تصنيع ترانزستور تأثير حقل الجرافين (GFET)

  1. اغسل الركيزة بالجرافين المنقول باستخدام الأسيتون و IPA و DI ؛ ثم اخبز الركيزة على صفيحة ساخنة عند 75 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة (الشكل 2A).
  2. باستخدام مبخر الشعاع E30 (انظر جدول المواد) ، قم بإيداع 5 نانومتر من النيكل والذهب 45 نانومتر على عينة الجرافين (الشكل 2B).
  3. تطبيق أول عملية الطباعة الحجرية الضوئية30 باستخدام القناع A (الشكل التكميلي 1) لنقش الأقطاب الكهربائية (الشكل 2C).
  4. قم بتدوير مقاومة إيجابية للضوء (AZ 5214E ، انظر جدول المواد) على العينة (2000 دورة في الدقيقة لمدة 45 ثانية) وعالج العينة عند 120 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة.
  5. ضع العينة في نظام التعرض للفيضانات فوق البنفسجية وقم بتعريضها لمدة 10 ثوان تقريبا تحت 200 مللي جول / سم2.
  6. طور العينة باستخدام مطور مقاوم للضوء (AZ300 MIF ، انظر جدول المواد) لمدة 2 دقيقة تقريبا ، ثم اشطفها بماء DI.
  7. اغمر العينة في حفر الذهب لحفر طبقة الذهب لمدة 10 ثوان ؛ اشطفيه بماء DI وأزيلي الطبقة المقاومة للضوء المتبقية عن طريق الغمر في الأسيتون لمدة 10 دقائق (الشكل 2C).
  8. باستخدام الأسيتون ، IPA ، ومياه DI ، اغسل العينة ؛ تخبز على طبق ساخن على حرارة 75 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. ثم قم بتطبيق عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثانية باستخدام القناع B (الشكل التكميلي 1) لنمط قنوات الجرافين.
    ملاحظة: استخدم نفس معلمات العملية مثل المعلمة الأولى (الخطوة 2.4-2.6)، باستثناء نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية في مصفف القناع (الشكل 2D).
  9. اغمر العينة في حفر النيكل عند 60 درجة مئوية لحفر طبقة النيكل لمدة 10 ثوان ؛ شطف بالماء DI. تجفيف الشعر باستخدام N2 (الشكل 2D).
  10. ضع العينة في آشر البلازما وأزل الجرافين المكشوف باستخدام بلازما الأكسجين (100 واط لمدة 90 ثانية مع تدفق الأكسجين عند 49 سم مكعب) ؛ بعد ذلك ، قم بإزالة طبقة المقاومة للضوء عن طريق الانغماس في الأسيتون لمدة 10 دقائق (الشكل 2E).
  11. اغسل العينة باستخدام ماء الأسيتون و IPA و DI ؛ تخبز على صفيحة ساخنة عند 75 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة وتطبق عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثالثة باستخدام القناع C (الشكل التكميلي 1) لنقش طبقة مقاومة للضوء التخميل لحماية الجرافين الأساسي على الركيزة. استخدم نفس معلمات العملية مثل المعلمة الأولى (الخطوة 2.4-2.6) ، باستثناء نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية في مصفف القناع (الشكل 2F).
  12. بعد عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثالثة ، اغمر العينة في حفر النيكل عند 60 درجة مئوية لمدة 10 ثوان لإزالة طبقة النيكل المتبقية ؛ ثم اشطفيه بماء DI وجففيه باستخدام N2 (الشكل 2G). أخيرا ، اخبز العينة على صفيحة ساخنة عند 120 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة (الشكل 2H).

3. تشغيل GFET للكشف عن IgG

  1. تجميع قناة تسليم العينات.
    1. قم بتصنيع قناة توصيل العينات في PDMS باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية الناعمة31.
    2. اغمر جهاز الجرافين في 0.1 M من محلول NaOH لمدة 30 ثانية ؛ اشطف بماء DI واترك طبقة ماء رقيقة على سطح الجهاز للمساعدة في محاذاة PDMS جيدا وترابطه. ثم قم بتنشيط سطح بئر PDMS باستخدام بلازما الأكسجين.
    3. محاذاة قناة توصيل العينة وجهاز الجرافين تحت المجهر ؛ ضع الجهاز المحاذاة في فرن 60 درجة مئوية لمدة 3 ساعات للسماح بالترابط. يظهر الجهاز المجمع في الشكل 3A.
  2. تفعيل GFET.
    1. قم بتشغيل سطح الجرافين باستخدام IgG aptamer (انظر جدول المواد). استخدم الماصات لتحميل وإزالة كل كاشف أو مخزن مؤقت من بئر PDMS. ويوضح الشكل 4 العملية التخطيطية.
      ملاحظة: تم تشغيل الخطوات التالية في درجة حرارة الغرفة.
    2. بعد شطف سطح الجرافين باستخدام DMSO ثلاث مرات ، ضع 1-pyrene butyric acid N-hydroxysuccinimide ester (PBASE ، 10 mM مذاب في DMSO ، انظر جدول المواد) واحتفظ به لمدة 2 ساعة.
    3. بعد الشطف باستخدام DMSO ، ضع 5'amino المعدلة IgG aptamer (20 ميكرومتر في 1x PBS) ، واحتضنها لمدة 3 ساعات ، وشطفها باستخدام 1x PBS ثلاث مرات.
    4. ضع ألبومين مصل البقر (BSA ، 10٪ w / v في 1x PBS) على الجرافين لمدة 1 ساعة وشطفه باستخدام 1x PBS ثلاث مرات.

4. الكشف عن IgG

  1. شطف الجهاز مع 0.01x PBS ثلاث مرات. املأ PDMS جيدا ب 0.01x PBS (المخزن المؤقت للكشف) (الشكل 3A ، B).
  2. قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بمحلل معلمات عالي الأداء (انظر جدول المواد). قم بتوصيل القطب الكهربائي المصدر بالأرض والتصريف وأقطاب البوابة بوحدات قياس المصدر (SMU 1 و SMU 2) المجهزة بمحلل المعلمة ، على التوالي (الشكل 3C).
  3. قم بإعداد معلمات القياس وقم بتشغيل عملية أخذ العينات.
  4. اختبر استجابة EGGFET ل IgG من خلال المراقبة المستمرة لتيار التصريف. قم بإذابة IgG في 0.01x PBS بتركيزات مختلفة ، وأضف المحلول إلى غرفة الكشف ، وراقب تيار التصريف باستمرار. احفظ البيانات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تظهر النتائج التمثيلية الجرافين CVD المنقول الذي يتميز به Raman و AFM ، على التوالي. توفر قمة G وقمم 2D لصورة Raman معلومات شاملة فيما يتعلق بوجود وجودة الجرافين الأحادي32 المنقول (الشكل 1). تم تطبيق عمليات الطباعة الحجرية القياسية30,31 لتصنيع جهاز GFET ، كما هو موضح في الشكل 2. ويبين الشكل 3 GFET المفتعل مع آبار تسليم عينات PDMS المجمعة والإعداد التجريبي. تم خلط PDMS بنسبة وزن 10: 1 وصب في طبق بتري. ثم تم خبز الطبق بأكمله مع خليط PDMS في فرن على درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. تم تقشير PDMS المعالج من الطبق وتقليمه إلى مكعب (1 سم × 1 سم × 1 سم). ثم تم إنشاء البئر (قطره 6 مم) عن طريق لكم مكعب PDMS باستخدام مثقب.

وتبين في الشكل 4 عمليات الوظيفية التخطيطية للكشف عن الغلوبولين المنحل بالإنترنت بواسطة EGGFET، ويبين الشكل 5 الكشف عن الإيغ جي في ظل ظروف مختلفة للإلكتروليت24. يمكن امتصاص PBASE ، وهو كاشف وظيفي يستخدم على نطاق واسع للجرافين ، على سطح الجرافين من خلال تفاعل π π24 دون الإضرار بالخواص الكهربائية للجرافين (الشكل 4A). يقترن أبتامر IgG المعدل ب 5 ′amino مع PBASE بواسطة روابط رابطة الأميد بين استر N-hydroxysuccinimide (NHS) التفاعلي في PBASE ومجموعة الأمين في نهاية 5 ′ من IgG aptamer (الشكل 4B). تم استخدام حضانة ألبومين مصل البقر (BSA) ، وهو نهج قياسي للكشف عن أجهزة الاستشعار الحيوية ، لمنع المواقع المتبقية غير المقترنة بعد شطف الجهاز باستخدام 1x PBS (الشكل 4C). يمكن العثور على مناقشة أكثر تفصيلا في عملنا المنشور سابقا24. تم تطبيق القطب المرجعي Ag/AgCl لتحديد جهد البوابة أثناء الكشف. يتم تحديد نطاق الكشف ، وهو نطاق التركيز الذي يمكن للمستشعر قياسه بشكل موثوق ، ليكون حوالي 2-50 نانومتر تقريبا لجهاز EGGFET. تمالإبلاغ سابقا عن مناقشات أكثر تفصيلا لمبادئ المواد الكيميائية والقياس التي ينطوي عليها الكشف عن IgG وحساسية EGGFET والحد الأقصى للكشف عنها.

Figure 1
الشكل 1: يتميز الجرافين CVD بواسطة التحليل الطيفي Raman و AFM . (A) ممثل طيف Raman للجرافين المنقول. قمة G وقمم 2D هي القمم السائدة للجرافين البكر. (ب) صورة AFM تمثيلية للجرافين. يتم عرض ملفات تعريف الارتفاع المقابلة في صورة AFM في اللوحة السفلية على طول الخط الأزرق المتقطع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: التصنيع التخطيطي لترانزستور تأثير مجال الجرافين . (أ) نقل الجرافين أحادي الطبقة إلى ركائز ثاني أكسيد السيليكون. (ب) النيكل والذهب المودع على الجرافين المنقول. (ج) الذهب محفور بعد أول عملية طباعة حجرية ضوئية. (د) حفر النيكل بعد عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثانية. (ه) إزالة الجرافين غير المحمي باستخدام بلازما الأكسجين. (و) طلاء النمط بمقاومة ضوئية لطبقات التخميل وإجراء عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثالثة. (ز) حفر النيكل بعد عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثالثة. (ح) التلدين بعد حفر النيكل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: الجهاز والإعداد التجريبي للكشف عن IgG . (أ) المستشعر الحيوي EGGFET مدمج مع قطب مرجعي قياسي Ag / AgCl وبئر PDMS لاحتواء العينة. (ب) العرض الموسع لقناة الجرافين. (ج) الرسم التخطيطي لوصلة الدائرة للكشف عن IgG باستخدام المستشعر الحيوي EGGFET. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تشغيل سطح الجرافين للكشف عن IgG. أعيد طبعها بإذن من المرجع24. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: استجابة المستشعر الحيوي EGGFET للعلامة الحيوية IgG تحت مخففات مختلفة. أعيد طبعها بإذن من المرجع24. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: تصاميم الأقنعة المستخدمة في عمليات الطباعة الحجرية الضوئية. (أ) تصميم القناع المستخدم في عملية الطباعة الحجرية الضوئية الأولى. يتم إعطاء الأقطاب الكهربائية بأبعاد في الصورة المكبرة A1. (ب) تصميم القناع المستخدم في الطباعة الحجرية الضوئية الثانية ذات الأبعاد. (ج) تصميم القناع المستخدم في عملية الطباعة الحجرية الضوئية الثالثة. يتم إعطاء الأقطاب الكهربائية بأبعاد في الصورة المكبرة C1. (د) يظهر الناتج النهائي لجميع عمليات الطباعة الحجرية الضوئية الثلاث والصورة المكبرة D1 تكوينات القطب الكهربائي. وحدات الأبعاد بالملليمترات (مم). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

يجب قص جرافين CVD الذي تم شراؤه على فيلم نحاسي إلى الحجم المناسب لخطوات التصنيع التالية. قطع الأفلام يمكن أن يسبب التجاعيد ، والتي تحتاج إلى منع. يمكن الإشارة إلى المعلمات المقدمة في خطوة التصنيع لحفر البلازما للجرافين ، ويمكن تغيير هذه الأرقام عند استخدام أدوات مختلفة. يجب مراقبة العينة المحفورة وفحصها عن كثب لضمان نقش الجرافين بالكامل. يمكن تطبيق طرق متعددة قبل التنظيف لتنظيف الركائز ، مثل الصوتنة في الأسيتون ، IPA ، ومياه DI لمدة 5 دقائق ، وشطف مياه DI ، وتجفيف غاز النيتروجين أو معالجته باستخدام بلازما O2 (300 واط ، عند ~ 100 sccm لمدة 5 دقائق). يبلغ معدل نقش النحاس حوالي 1.25-1.67 ميكرون / دقيقة أثناء استخدام محفورة النحاس التجارية لكلوريد الحديديك. المراقبة الدقيقة ضرورية لعملية الحفر. بعد الحفر ، هناك حاجة إلى شطف كاف بماء DI.

تقنية تنظيف الأسيتون المذكورة في البروتوكول هي تقنية تنظيف البقايا المثلى. تنظيف البلازما لديه خطر الإضرار بالجرافين أحادي الطبقة. لذا ، فإن أكثر التقنيات الصديقة لطبقة الجرافين هي تنظيف الأسيتون. لكن إزالة بقايا PMMA لها أيضا أهمية أساسية لأنها تؤثر على العمليات الأخيرة. يمكن أن يؤدي إجراء التحليل الطيفي Raman و AFM إلى إعطاء جودة الجرافين في الوقت الفعلي وبقايا PMMA. تعتبر الأدوات والمواد الكيميائية المستخدمة في البروتوكول حاسمة لأنها تؤثر بشكل مباشر على جودة الجهاز المصنع. لذلك ، يجب فحص جودة الأدوات وصلاحية المواد الكيميائية وتحديثها.

يجب أن تبقى PBASE جافة وتخزينها في ثلاجة -20 درجة مئوية لتجنب التحلل المائي لعمل المستقبلات الحيوية. تحتاج القارورة المخزنة إلى الوصول إلى درجة حرارة الغرفة قبل فتحها ؛ خلاف ذلك ، يمكن أن يتكثف الماء داخل القارورة ويتحلل PBASE. لصنع 10 ملليمتر من PBASE ، يجب تحضير 100 mM من محلول PBASE أولا عن طريق إذابة 38.5 mg من PBASE في 1 مل من DMSO ثم تخفيفه بعامل 10.

نظرا لأن الكواشف والمخازن المؤقتة قد أضيفت أو أزيلت عن طريق السحب مباشرة إلى بئر PDMS ، فإن الجهاز الموضح في المخطوطة لن يسمح بإجراء معايرة في الموقع مع التحكم السلبي. سيكون من الضروري لهذا الغرض وجود مصفوفة متعددة القنوات مدمجة مع جهاز ميكروفلويديك مصمم بشكل صحيح. ومن شأن مواصلة تطوير الجهاز، مثل دمجه مع منصة تدفق جانبي، أن يوفر إمكانات كبيرة لتطبيقات نقاط الرعاية33. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الواجهة بين الصلبة والسائلة هي موضوع ذو أهمية علمية وتكنولوجية كبيرة34. على سبيل المثال ، في الحالة الخاصة للوسائط المائية والجرافين ، فإنه يلعب دورا حاسما في العديد من التطبيقات الناشئة للجرافين ، على سبيل المثال ، الكيمياء التحليلية35 ، وتخزين الطاقة وتحويلها 36 ، وترشيح المياه 37 ، والاستشعار البيولوجي38. إن الكشف عن السلوك في الواجهة له أهمية علمية وتقنية أساسية ، خاصة من أجل فهم دقيق وأكثر تعمقا لخصائص الجرافين والتطبيقات العملية39,40.

وفي هذا العمل، يقدم بروتوكول مفصل لإثبات تطور المستشعر الحيوي EGGFET وتطبيقه في الكشف عن المؤشرات الأحيائية. بالنسبة للاستخدامات العملية للجرافين CVD الذي تم نقله بواسطة نهج PMMA ، من الأهمية بمكان إزالة بقايا PMMA تماما للحصول على سطح نظيف. تزيل هذه الطريقة بشكل فعال بقايا PMMA مع الحفاظ على شبكة الجرافين الأساسية. يظهر الجهاز الوظيفي نتائج متسقة للكشف عن IgG البشري. يمكن للباحثين المهتمين استخدام هذا البروتوكول كمرجع لبناء أجهزة لتطبيقات محددة ، مثل دراسة تفاعلات الواجهة ، والاستشعار البيولوجي ، وتطوير أجهزة مماثلة باستخدام مواد نانوية أخرى ، وما إلى ذلك.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين مصالح متنافسة أو مصالح متضاربة للإفصاح عنها.

Acknowledgments

أجريت التجارب في جامعة فرجينيا الغربية. نحن نقر بمرافق الأبحاث المشتركة في جامعة ويست فرجينيا لتصنيع الأجهزة وتوصيف المواد. تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية بموجب المنحة رقم 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

الهندسة، العدد 180، الجرافين المترسب بالبخار الكيميائي (CVD)، نقل الجرافين، الترانزستور ذو التأثير الميداني، الكشف عن المؤشرات الحيوية
تطوير وتشغيل ترانزستور التأثير الميداني للجرافين ذو بوابات الكهارل للكشف عن المؤشرات الحيوية
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