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Engineering

Entwicklung und Funktionalisierung eines elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistors für den Biomarker-Nachweis

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

Das vorliegende Protokoll demonstriert die Entwicklung eines elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistors (EGGFET) Biosensors und seine Anwendung beim Nachweis von Biomarker-Immunglobulin G (IgG).

Abstract

In der aktuellen Studie wurden Graphen und seine Derivate für viele Anwendungen untersucht und verwendet, darunter Elektronik, Sensorik, Energiespeicherung und Photokatalyse. Die Synthese und Herstellung von Graphen von hoher Qualität, guter Gleichmäßigkeit und geringen Defekten ist für leistungsstarke und hochempfindliche Geräte von entscheidender Bedeutung. Unter vielen Synthesemethoden kann die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die als führender Ansatz zur Herstellung von Graphen gilt, die Anzahl der Graphenschichten kontrollieren und hochwertiges Graphen ergeben. CVD-Graphen muss von den Metallsubstraten, auf denen es gezüchtet wird, für praktische Anwendungen auf isolierende Substrate übertragen werden. Die Trennung und Übertragung von Graphen auf neue Substrate ist jedoch für eine gleichmäßige Schicht eine Herausforderung, ohne die Strukturen und Eigenschaften von Graphen zu beschädigen oder zu beeinträchtigen. Darüber hinaus wurde der elektrolytgesteuerte Graphen-Feldeffekttransistor (EGGFET) aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und Standardgerätekonfiguration für seine breiten Anwendungen in verschiedenen biomolekularen Detektionen demonstriert. In diesem Artikel werden der poly (methylmethacrylat) (PMMA)-unterstützte Graphentransferansatz, die Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET) und der Biomarker-Immunglobulin-G (IgG)-Nachweis demonstriert. Raman-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie wurden angewendet, um das übertragene Graphen zu charakterisieren. Es hat sich gezeigt, dass das Verfahren ein praktischer Ansatz ist, um sauberes und rückstandsfreies Graphen zu übertragen und gleichzeitig das darunter liegende Graphengitter auf einem isolierenden Substrat für Elektronik- oder Biosensoranwendungen zu erhalten.

Introduction

Graphen und seine Derivate wurden für viele Anwendungen untersucht und verwendet, einschließlich Elektronik 1,2, Sensorik 3,4,5, Energiespeicherung 6,7 und Photokatalyse 1,6,8. Die Synthese und Herstellung von Graphen von hoher Qualität, guter Gleichmäßigkeit und geringen Defekten ist für leistungsstarke und hochempfindliche Geräte von entscheidender Bedeutung. Seit der Entwicklung der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) im Jahr 2009 hat es sich als kolossales Versprechen erwiesen und seinen Platz als wesentliches Mitglied der Graphenfamilie 9,10,11,12,13 festgelegt. Es wird auf einem Metallsubstrat angebaut und später für praktische Anwendungen auf isolierende Substrateübertragen 14. In letzter Zeit wurden mehrere Übertragungsmethoden verwendet, um CVD-Graphen zu übertragen. Die Poly (Methylmethacrylat) (PMMA) unterstützte Methode ist die am häufigsten verwendete unter den verschiedenen Techniken. Dieses Verfahren eignet sich aufgrund seiner großflächigen Leistungsfähigkeit, der geringeren Kosten und der hohen Qualität des übertragenen Graphens14,15 besonders gut für den industriellen Einsatz. Der kritische Aspekt dieser Methode besteht darin, den PMMA-Rückstand für CVD-Graphenanwendungen loszuwerden, da die Rückstände eine Deskription der elektronischen Eigenschaften von Graphen 14,15,16 verursachen können, einen Einfluss auf die Empfindlichkeit und Leistung von Biosensorenhaben 17,18 und signifikante Geräte-zu-Gerät-Variationen verursachen können 19.

Nanomaterialbasierte Biosensoren wurden in den letzten Jahrzehnten erheblich untersucht, darunter Silizium-Nanodraht (SiNW), Kohlenstoffnanoröhre (CNT) und Graphen20. Aufgrund seiner Einzelatomschichtstruktur und seiner charakteristischen Eigenschaften weist Graphen überlegene elektronische Eigenschaften, gute Biokompatibilität und einfache Funktionalisierung auf, was es zu einem attraktiven Material für die Entwicklung von Biosensoren 14,21,22,23 macht. Aufgrund der Eigenschaften von Feldeffekttransistoren (FET) wie hoher Empfindlichkeit, Standardkonfiguration und kostengünstiger Massenproduzierbarkeit21,24 wird FET in tragbaren und Point-of-Care-Implementierungen bevorzugter als andere elektronikbasierte Biosensorgeräte. Die elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistoren (EGGFET) Biosensoren sind Beispiele für die angegebenen FETs21,24. EGGFET kann verschiedene Zielanalyten wie Nukleinsäuren 25, Proteine 24,26, Metaboliten 27 und andere biologisch relevante Analyten 28 nachweisen. Die hier erwähnte Technik gewährleistet die Implementierung von CVD-Graphen in einem markierungsfreien biosensorischen Nanoelektronikgerät, das eine höhere Empfindlichkeit und genaue Zeiterfassung als andere Biosensorgerätebietet 29.

In dieser Arbeit wird ein Gesamtprozess zur Entwicklung eines EGGFET-Biosensors und dessen Funktionalisierung für den Biomarkernachweis, einschließlich der Übertragung von CVD-Graphen auf ein isolierendes Substrat, Raman, und AFM-Charakterisierungen des übertragenen Graphens demonstriert. Darüber hinaus werden hier auch die Herstellung von EGGFET und die Integration mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Probenabgabe, die Biorezeptorfunktionalisierung und der erfolgreiche Nachweis von humanem Immunglobulin G (IgG) aus Serum durch Spike-and-Recovery-Experimente diskutiert.

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Protocol

1. Übertragung der chemischen Gasphasenabscheidung von Graphen

  1. Schneiden Sie die Graphenplatte auf einem Kupfersubstrat mit einer Schere in zwei Hälften (2,5 cm x 5 cm). Tragen Sie hitzebeständiges Band auf, um die vier Ecken des Graphenquadrats auf einer Spinnerdichtung zu befestigen (siehe Materialtabelle).
    HINWEIS: Das gekaufte Graphen hat eine Abmessung von 5 cm x 5 cm (siehe Materialtabelle).
  2. Drehen Sie die Graphenplatte mit einer dünnen Schicht (100-200 nm) PMMA 495K A4, die sich bei 500 U / min für 10 s und dann 2000 U / min für 50 s dreht. Dann backen Sie die Probe bei 150 °C für 5 min.
  3. Entfernen Sie die Rückseite des Graphens mit Sauerstoffplasma (siehe Materialtabelle) bei 30 W, 15 sccm für 5 min.
  4. Schneiden Sie das plasmabehandelte Graphenquadrat für die Geräteherstellung in kleinere Abmessungen (1 cm x 2 cm).
  5. Schneiden Sie das vorgereinigte Substrat (SiO 2) in kleine Stücke mit einem ungefähren Maß von 2,5 cm x2 cm.
  6. Ätzen Sie das Kupfer mit dem kommerziellen Graphenätzmittel (Eisenchlorid) ab (siehe Materialtabelle). Verdünnen Sie den Etchant nicht. Schwimmen Sie die Probe mit der Kupferseite nach unten und der PMMA-Seite nach oben auf dem flüssigen Etchant.
  7. Nach dem Kupferätzen heben Sie den Graphenfilm langsam mit dem plasmabehandelten Substrat an.
  8. Das übertragene Graphen 2 h an der Luft trocknen und dann 15 min bei 80 °C backen.
  9. Entfernen Sie das PMMA mit den folgenden Schritten.
    1. Die Probe mit Acetondampf bei 70 °C aufwärmen. Halten Sie die Probe bei ~ 2 cm über dem Acetondampf für 4 Minuten mit der PMMA-Seite nach unten. Dann tauchen Sie die Probe für 5 min in Aceton.
    2. Waschen Sie die Probe vorsichtig mit DI-Wasser und beobachten Sie das übertragene Graphen unter dem Mikroskop. Zum Schluss die Probe vorsichtig mitN2 föhnen.
    3. Führen Sie eine AFM-Beobachtung (Atomic Force Microscopy) durch, um PMMA-rückstandsfreies Graphen sicherzustellen. Wenn PMMA-Rückstände im Bild sichtbar sind, führen Sie die Acetondampfreinigung und das Eintauchen erneut durch.
  10. Führen Sie eine Raman- und AFM-Charakterisierung durch, um die Monoschicht der Graphenübertragung zu bestätigen und die Oberflächeneigenschaften zu beobachten (Abbildung 1A, B).

2. Herstellung von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET)

  1. Waschen Sie das Substrat mit dem übertragenen Graphen mit Aceton, IPA und DI-Wasser; Dann das Substrat auf einer heißen Platte bei 75 °C für 30 min backen (Abbildung 2A).
  2. Mit dem E-Beam-Verdampfer30 (siehe Materialtabelle) werden 5 nm Nickel und 45 nm Gold auf der Graphenprobe abgeschieden (Abbildung 2B).
  3. Wenden Sie das erste Photolithographie-30-Verfahren mit Maske A (Ergänzende Abbildung 1) für die Strukturierung der Elektroden an (Abbildung 2C).
  4. Drehen Sie einen positiven Fotolack (AZ 5214E, siehe Materialtabelle) auf der Probe (2000 U/min für 45 s) und härten Sie die Probe bei 120 °C für 1 min aus.
  5. Legen Sie die Probe in das UV-Hochwasserexpositionssystem und belichten Sie sie für ~ 10 s unter 200 mJ / cm2.
  6. Entwickeln Sie die Probe mit einem Fotolackentwickler (AZ300 MIF, siehe Materialtabelle) für ~ 2 min und spülen Sie sie dann mit DI-Wasser ab.
  7. Tauchen Sie die Probe in eine Goldradierung ein, um die Goldschicht für 10 s zu ätzen; Mit DI-Wasser abspülen und die restliche Fotolackschicht entfernen, indem Sie 10 min in Aceton eintauchen (Abbildung 2C).
  8. Waschen Sie die Probe mit Aceton, IPA und DI-Wasser. Auf einer heißen Platte bei 75 °C für 30 min backen. Wenden Sie dann den zweiten Photolithographieprozess mit der Maske B (Ergänzende Abbildung 1) an, um die Graphenkanäle zu strukturieren.
    HINWEIS: Verwenden Sie die gleichen Prozessparameter wie die ersten (Schritt 2.4-2.6), mit Ausnahme des UV-Belichtungssystems im Masken-Aligner (Abbildung 2D).
  9. Tauchen Sie die Probe bei 60 °C in Nickelätzmittel, um die Nickelschicht für 10 s zu ätzen; mit DI-Wasser abspülen; Föhnen Sie mit N2 (Abbildung 2D).
  10. Legen Sie die Probe in den Plasma-Asher und entfernen Sie das exponierte Graphen mit Sauerstoffplasma (100 W für 90 s mit Sauerstofffluss bei 49 sccm); Entfernen Sie anschließend die Fotolackschicht, indem Sie 10 Minuten lang in Aceton eintauchen (Abbildung 2E).
  11. Waschen Sie die Probe mit Aceton, IPA und DI-Wasser; 30 min auf einer heißen Platte bei 75 °C backen und das dritte Photolithographieverfahren mit Maske C (Ergänzende Abbildung 1) zur Strukturierung der Passivierungs-Fotolackschicht anwenden, um das darunter liegende Graphen auf dem Substrat zu schützen. Verwenden Sie die gleichen Prozessparameter wie der erste (Schritt 2.4-2.6), mit Ausnahme des UV-Belichtungssystems im Maskenaligner (Abbildung 2F).
  12. Nach dem dritten Photolithographieverfahren tauchen Sie die Probe bei 60 °C für 10 s in Nickelätzmittel, um die verbleibende Nickelschicht zu entfernen. dann mit DI-Wasser abspülen und mitN2 föhnen (Abbildung 2G). Zum Schluss die Probe 30 min lang auf einer Kochplatte bei 120 °C backen (Abbildung 2H).

3. Funktionalisierung von GFET für die IgG-Erkennung

  1. Stellen Sie den Sample-Delivery-Kanal zusammen.
    1. Stellen Sie den Probenlieferkanal in PDMS mit weichen Lithographietechnikenher 31.
    2. Tauchen Sie das Graphengerät 30 s lang in 0,1 m NaOH-Lösung ein; Mit DI-Wasser abspülen und eine dünne Wasserschicht auf der Geräteoberfläche belassen, um die Ausrichtung und Bindung des PDMS-Brunnens zu unterstützen. Aktivieren Sie dann die Oberfläche des PDMS-Brunnens mit Sauerstoffplasma.
    3. Richten Sie den Probenabgabekanal und das Graphengerät unter einem Mikroskop aus. Legen Sie das ausgerichtete Gerät für 3 h in einen 60 °C Ofen, um die Verklebung zu ermöglichen. Das zusammengebaute Gerät ist in Abbildung 3A dargestellt.
  2. Funktionalisieren Sie das GFET.
    1. Funktionalisieren Sie die Graphenoberfläche mit IgG-Aptamer (siehe Materialtabelle). Verwenden Sie Pipetten, um jedes Reagenz oder jeden Puffer aus dem PDMS-Bohrloch zu laden und zu entfernen. Der schematische Ablauf ist in Abbildung 4 dargestellt.
      HINWEIS: Die folgenden Schritte wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.
    2. Nachdem Sie die Graphenoberfläche dreimal mit DMSO gespült haben, tragen Sie 1-Pyrenbuttersäure N-Hydroxysuccinimidester (PBASE, 10 mM in DMSO gelöst, siehe Materialtabelle) auf und halten Sie sie für 2 h.
    3. Nach dem Spülen mit DMSO 5'aminomodifiziertes IgG-Aptamer (20 μM in 1x PBS) auftragen, 3 h inkubieren und dreimal mit 1x PBS spülen.
    4. Rinderserumalbumin (BSA, 10% w/v in 1x PBS) für 1 h auf Graphen auftragen und dreimal mit 1x PBS abspülen.

4. IgG-Erkennung

  1. Spülen Sie das Gerät dreimal mit 0,01x PBS ab. Füllen Sie die PDMS-Bohrung mit 0,01x PBS (Erkennungspuffer) (Abbildung 3A,B).
  2. Verbinden Sie die Elektroden mit einem leistungsstarken Parameteranalysator (siehe Materialverzeichnis). Schließen Sie die Quellelektrode an den Boden, den Abfluss und die Gate-Elektroden an Quellenmesseinheiten (SMU 1 und SMU 2) an, die mit dem Parameteranalysator ausgestattet sind (Abbildung 3C).
  3. Richten Sie die Messparameter ein und schalten Sie den Probenahmevorgang ein.
  4. Testen Sie die Reaktion des EGGFET auf IgG, indem Sie den Entleerungsstrom kontinuierlich überwachen. IgG in 0,01x PBS mit unterschiedlichen Konzentrationen auflösen, die Lösung in die Detektionskammer geben und den Ablaufstrom kontinuierlich überwachen. Speichern Sie die Daten.

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Representative Results

Die repräsentativen Ergebnisse zeigen das übertragene CVD-Graphen, das durch Raman bzw. AFM gekennzeichnet ist. Der G-Peak und die 2D-Peaks des Raman-Bildes geben umfassende Informationen über die Existenz und die Qualität des übertragenen Monolayer-Graphens32 (Abbildung 1). Standard-Lithographieverfahren30,31 wurden für die Herstellung des GFET-Geräts angewendet, wie in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 3 zeigt das hergestellte GFET mit montierten PDMS-Probenabgabequellen und den Versuchsaufbau. Das PDMS wurde bei einem Gewichtsverhältnis von 10:1 gemischt und in eine Petrischale gegossen. Dann wurde das ganze Gericht mit PDMS-Mischung in einem Ofen bei 60 °C für 3 h gebacken. Das gepökelte PDMS wurde von der Schale geschält und zu einem Würfel (1 cm x 1 cm × 1 cm) beschnitten. Der Brunnen (6 mm Durchmesser) wurde dann durch Stanzen des PDMS-Würfels mit einem Stanzer erzeugt.

Schematische Funktionalisierungsprozesse für die IgG-Detektion durch EGGFET sind in Abbildung 4 dargestellt, und Abbildung 5 zeigt die IgG-Detektion unter verschiedenen Elektrolytbedingungen24. PBASE, ein weit verbreitetes Funktionalisierungsreagenz für Graphen, kann auf der Graphenoberfläche durch eine π-π-Wechselwirkung24 adsorbiert werden, ohne die elektrischen Eigenschaften von Graphen zu schädigen (Abbildung 4A). Ein 5′aminomodifiziertes IgG-Aptamer wird mit PBASE durch die Amidbindungsverbindungen zwischen dem reaktiven N-Hydroxysuccinimid (NHS)-ester in PBASE und der Amingruppe am 5'-Ende des IgG-Aptamers konjugiert (Abbildung 4B). Die Inkubation von Rinderserumalbumin (BSA), ein Standardansatz für den Nachweis von Biosensoren, wurde verwendet, um die verbleibenden unkonjugierten Stellen nach dem Spülen des Geräts mit 1x PBS zu blockieren (Abbildung 4C). Eine ausführlichere Diskussion finden Sie in unserer bereits veröffentlichten Arbeit24. Die Ag/AgCl-Referenzelektrode wurde verwendet, um das Gate-Potential während der Detektion zu definieren. Der Erfassungsbereich, der Konzentrationsbereich, den ein Sensor zuverlässig messen kann, wird für das EGGFET-Gerät auf etwa ~2-50 nM festgelegt. Detailliertere Diskussionen über chemische und Messprinzipien im Zusammenhang mit dem IgG-Nachweis und die Empfindlichkeit und Nachweisgrenze von EGGFET wurden zuvorberichtet 24.

Figure 1
Abbildung 1: CVD-Graphen wird durch Raman- und AFM-Spektroskopie charakterisiert. (A) Repräsentatives Raman-Spektrum des übertragenen Graphens. Der G-Peak und die 2D-Peaks sind die vorherrschenden Peaks von unberührtem Graphen. (B) Repräsentatives AFM-Bild des Graphens. Die entsprechenden Höhenprofile im AFM-Bild sind im unteren Bereich entlang der blau gestrichelten Linie dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Herstellung eines Graphen-Feldeffekttransistors . (A) Monolayer-Graphen, das auf Siliciumdioxidsubstrate übertragen wird. (B) Nickel und Gold, die auf übertragenem Graphen abgelagert werden. (C) Gold, das nach dem ersten Photolithographieverfahren geätzt wurde. (D) Nickel geätzt nach dem zweiten Photolithographieverfahren. (E) Entfernen von ungeschütztem Graphen unter Verwendung von Sauerstoffplasma. (F) Beschichtung des Musters mit Fotolack zur Passivierung der Schichtung und Durchführung des dritten Photolithographieprozesses. (G) Nickel geätzt nach dem dritten Photolithographieverfahren. (H) Glühen nach dem Ätzen von Nickel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 3
Abbildung 3: Gerät und Versuchsaufbau für die IgG-Detektion . (A) Der EGGFET-Biosensor ist mit einer Standard-Ag/AgCl-Referenzelektrode und einer PDMS-Vertiefung zur Aufnahme der Probe integriert. (B) Die erweiterte Ansicht des Graphenkanals. (C) Das schematische Diagramm des Stromkreisanschlusses zur Detektion von IgG mit dem EGGFET-Biosensor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 4
Abbildung 4: Funktionalisierung der Graphenoberfläche für den IgG-Detektion. Nachdruck mit Genehmigung von Referenz24. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 5
Abbildung 5: Die Reaktion des EGGFET-Biosensors auf den Biomarker IgG unter verschiedenen Verdünnungsmitteln. Nachdruck mit Genehmigung von Referenz24. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ergänzende Abbildung 1: Maskendesigns für Photolithographie-Prozesse. (A) Das Maskendesign, das im ersten Photolithographieverfahren verwendet wurde. Die Elektroden sind im vergrößerten Bild A1 mit Abmessungen versehen. (B) Maskendesign, das in der zweiten Photolithographie mit Abmessungen verwendet wird. (C) Maskendesign, das im dritten Photolithographieverfahren verwendet wird. Die Elektroden sind mit Abmessungen im vergrößerten Bild C1 angegeben. (D) Das Endprodukt aller drei photolithographischen Verfahren und das vergrößerte Bild D1 zeigt die Elektrodenkonfigurationen. Die Einheiten für die Abmessungen sind in Millimetern (mm) angegeben. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

Das gekaufte CVD-Graphen auf Kupferfolie muss für die folgenden Herstellungsschritte auf die richtige Größe zugeschnitten werden. Das Schneiden der Folien kann zu Faltenbildung führen, was verhindert werden muss. Die im Herstellungsschritt bereitgestellten Parameter können für das Plasmaätzen von Graphen herangezogen werden, und diese Zahlen können bei Verwendung verschiedener Instrumente variiert werden. Die geätzte Probe muss genau überwacht und inspiziert werden, um eine vollständige Graphenätzung zu gewährleisten. Mehrere Vorreinigungsmethoden können angewendet werden, um die Substrate zu reinigen, z. B. Beschallung in Aceton, IPA und DI-Wasser für 5 min, DI-Wasserspülung und Stickstoffgastrocknung oder Behandlung mitO2-Plasma (300 W, bei ~ 100 sccm für 5 min). Die Kupferätzrate beträgt etwa 1,25-1,67 Mikron / min unter Verwendung des kommerziellen Eisenchlorid-Kupfer-Etchants. Für den Ätzprozess ist eine genaue Beobachtung erforderlich. Nach dem Ätzen ist ein ausreichendes Spülen mit DI-Wasser erforderlich.

Die im Protokoll erwähnte Acetonreinigungstechnik ist die optimale Rückstandsreinigungstechnik. Bei der Plasmareinigung besteht die Gefahr, dass das Monolayer-Graphen beschädigt wird. Die graphenschichtfreundlichste Technik ist also die Acetonreinigung. Aber auch die Entfernung von PMMA-Rückständen ist von primärer Bedeutung, da sie die letzteren Prozesse beeinflusst. Raman-Spektroskopie und AFM können die Echtzeitqualität von Graphen und den PMMA-Rückständen liefern. Die Instrumente und die im Protokoll verwendeten Chemikalien sind von entscheidender Bedeutung, da diese die Qualität des hergestellten Geräts direkt beeinflussen. Daher müssen die Qualität der Instrumente und die Gültigkeit der Chemikalien überprüft und aktualisiert werden.

PBASE muss trocken gehalten und in einem Gefrierschrank von -20 °C gelagert werden, um eine Hydrolyse für die Biorezeptorfunktionalisierung zu vermeiden. Die gelagerte Durchstechflasche muss vor dem Öffnen Raumtemperatur erreichen. Andernfalls könnte Wasser in der Durchstechflasche kondensieren und die PBASE hydrolysieren. Um 10 mM PBASE herzustellen, müssen zuerst 100 mM PBASE-Lösung hergestellt werden, indem 38,5 mg PBASE in 1 ml DMSO aufgelöst und dann um den Faktor 10 verdünnt werden.

Da die Reagenzien und Puffer durch Pipettieren direkt in die PDMS-Vertiefung hinzugefügt oder entfernt wurden, würde das im Manuskript demonstrierte Gerät keine Vor-Ort-Kalibrierung mit Negativkontrolle ermöglichen. Zu diesem Zweck wäre ein Mehrkanal-Array erforderlich, das in ein ordnungsgemäß entwickeltes mikrofluidisches Gerät integriert ist. Die Weiterentwicklung des Geräts, wie die Kombination mit einer Lateral-Flow-Plattform, würde ein großes Potenzial für Point-of-Care-Anwendungenbieten 33. Darüber hinaus ist die Grenzfläche zwischen Fest und Flüssig ein Thema von großer wissenschaftlicher und technologischer Bedeutung34. Zum Beispiel spielt es im speziellen Fall von wässrigen Medien und Graphen eine entscheidende Rolle in vielen aufkommenden Anwendungen von Graphen, z. B. analytische Chemie 35, Energiespeicherung und -umwandlung 36, Wasserfiltration37 und Biosensorik38. Die Entschlüsselung des Verhaltens an der Grenzfläche hat eine wesentliche wissenschaftliche und technische Bedeutung, insbesondere für ein genaues und tieferes Verständnis der Eigenschaften und praktischen Anwendungenvon Graphen 39,40.

In der vorliegenden Arbeit wird ein detailliertes Protokoll bereitgestellt, um die Entwicklung des EGGFET-Biosensors und seine Anwendung in der Biomarker-Detektion zu demonstrieren. Für die praktische Verwendung von CVD-Graphen, das durch den PMMA-Ansatz übertragen wird, ist es wichtig, PMMA-Rückstände vollständig zu entfernen, um eine saubere Oberfläche zu erhalten. Die Methode entfernt effektiv PMMA-Rückstände unter Beibehaltung des zugrunde liegenden Graphengitters. Das Funktionsgerät zeigt konsistente Ergebnisse für den Nachweis von menschlichem IgG. Interessierte Forscher könnten dieses Protokoll als Referenz verwenden, um Geräte für bestimmte Anwendungen zu bauen, wie z.B. das Studium von Schnittstelleninteraktionen, Biosensorik, die Entwicklung ähnlicher Geräte mit anderen Nanomaterialien usw.

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Disclosures

Die Autoren haben keine konkurrierenden Interessen oder widersprüchlichen Interessen offenzulegen.

Acknowledgments

Die Experimente wurden an der West Virginia University durchgeführt. Wir danken den Shared Research Facilities an der West Virginia University für die Herstellung von Geräten und die Materialcharakterisierung. Diese Arbeit wurde von der US National Science Foundation unter Grant 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

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Engineering Ausgabe 180 Chemical Vapor Deposited (CVD) Graphen Graphentransfer Feldeffekttransistor Biomarkerdetektion
Entwicklung und Funktionalisierung eines elektrolytgesteuerten Graphen-Feldeffekttransistors für den Biomarker-Nachweis
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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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