Waiting
Login processing...

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

Engineering

Utvikling og funksjonalisering av elektrolyttportet grafen felteffekttransistor for biomarkørdeteksjon

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

Den nåværende protokollen demonstrerer utviklingen av elektrolyttportet grafenfelteffekttransistor (EGGFET) biosensor og dens anvendelse i biomarkør immunoglobulin G (IgG) deteksjon.

Abstract

I den nåværende studien har grafen og dets derivater blitt undersøkt og brukt til mange bruksområder, inkludert elektronikk, sensing, energilagring og fotokaalyse. Syntese og fabrikasjon av høy kvalitet, god ensartethet og lave feil grafen er avgjørende for høy ytelse og svært følsomme enheter. Blant mange syntesemetoder kan kjemisk dampavsetning (CVD), betraktet som en ledende tilnærming til fremstilling av grafen, kontrollere antall grafenlag og gi grafen av høy kvalitet. CVD grafen må overføres fra metallsubstratene som det dyrkes på til isolerende substrater for praktiske applikasjoner. Separasjon og overføring av grafen til nye substrater er imidlertid utfordrende for et jevnt lag uten å skade eller påvirke grafens strukturer og egenskaper. I tillegg har elektrolyttportet grafenfelteffekttransistor (EGGFET) blitt demonstrert for sine brede bruksområder i ulike biomolekylære deteksjoner på grunn av sin høye følsomhet og standard enhetskonfigurasjon. I denne artikkelen demonstreres poly (metylmetakrylat) (PMMA)-assistert grafenoverføringstilnærming, fabrikasjon av grafenfelteffekttransistor (GFET) og biomarkørimmunoglobulin G (IgG) deteksjon. Raman spektroskopi og atomkraftmikroskopi ble brukt for å karakterisere den overførte grafen. Metoden er vist å være en praktisk tilnærming for overføring av rene og rester-fri grafen samtidig bevare underliggende grafen gitter på et isolerende substrat for elektronikk eller biosensing applikasjoner.

Introduction

Grafen og dets derivater har blitt undersøkt og brukt til mange bruksområder, inkludert elektronikk 1,2, sensing 3,4,5, energilagring 6,7, og fotokaalyse 1,6,8. Syntese og fabrikasjon av høy kvalitet, god ensartethet og lave feil grafen er avgjørende for høy ytelse og svært følsomme enheter. Siden utviklingen av Kjemisk dampavsetning (CVD) i 2009, har den vist kolossalt løfte og satt sin plass som et viktig medlem av grafenfamilien 9,10,11,12,13. Den vokser på et metallsubstrat og overføres senere til praktisk bruk til isolerende substrater14. Flere overføringsmetoder har nylig blitt brukt til å overføre CVD-grafen. Den assisterte metoden for poly (metylmetakrylat) (PMMA) er den mest brukte blant de forskjellige teknikkene. Denne metoden er spesielt godt egnet for industriell bruk på grunn av sin store kapasitet, lavere kostnader og høy kvalitet på den overførte grafen14,15. Det kritiske aspektet ved denne metoden er å kvitte seg med PMMA-rester for CVD-grafenapplikasjoner fordi rester kan forårsake deklinasjon av de elektroniske egenskapene til grafen 14,15,16, forårsake en effekt på biosensorenes følsomhet og ytelse 17,18, og skape betydelige enhets-til-enhet variasjoner19.

Nanomaterialer-baserte biosensorer har blitt betydelig undersøkt de siste tiårene, inkludert silisium nanotråd (SiNW), karbonnanorør (CNT) og grafen20. På grunn av sin enkelt-atom-lag struktur og særegne egenskaper, grafen demonstrerer overlegne elektroniske egenskaper, god biokompatibilitet, og facile funksjonalisering, noe som gjør det til et attraktivt materiale for å utvikle biosensorer 14,21,22,23. På grunn av felteffekttransistorer (FET) egenskaper som høy følsomhet, standardkonfigurasjon og kostnadseffektiv masseproduserbarhet21,24, er FET mer foretrukket i bærbare og pleie-implementeringer enn andre elektronikkbaserte biosensing-enheter. De elektrolyttportede grafenfelteffekttransistor (EGGFET) biosensorene er eksempler på de oppgitte FETene 21,24. EGGFET kan oppdage ulike målrettingsanalytter som nukleinsyrer25, proteiner 24,26, metabolitter27 og andre biologisk relevante analytter28. Teknikken nevnt her sikrer implementering av CVD grafen i en etikettfri biosensing nanoelektronikk enhet som gir høyere følsomhet og nøyaktig tidsdeteksjon over andre biosensing enheter29.

I dette arbeidet demonstreres en overordnet prosess for å utvikle en EGGFET biosensor og funksjonalisere den for biomarkørdeteksjon, inkludert overføring av CVD-grafen til et isolerende substrat, Raman og AFM-karakteriseringer av den overførte grafen. Videre diskuteres også fabrikasjon av EGGFET og integrasjon med en polydimetylsiloksan (PDMS) prøveleveringsbrønn, bioreseptorfunksjonalisering og vellykket deteksjon av human immunoglobulin G (IgG) fra serum ved spike-and-recovery-eksperimenter her.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Overføring av kjemisk dampavsetning av grafen

  1. Klipp grafenplaten på et kobbersubstrat i halvparten (2,5 cm x 5 cm) ved hjelp av saks. Påfør varmebestandig tape for å fikse de fire hjørnene av grafentorget på en spinnerpakning (se Materialtabell).
    MERK: Den kjøpte grafen har en dimensjon på 5 cm x 5 cm (se Materialtabell).
  2. Spin-coat arket av grafen med et tynt lag (100-200 nm) av PMMA 495K A4 spinner ved 500 rpm for 10 s og deretter 2000 rpm for 50 s. Stek deretter prøven ved 150 °C i 5 minutter.
  3. Fjern baksiden av grafen med oksygenplasma (se Materialtabellen) ved 30 W, 15 sccm i 5 min.
  4. Skjær den plasmabehandlede grafenplassen i mindre dimensjoner (1 cm x 2 cm) for fremstilling av enheten.
  5. Skjær det forhåndsrengjorte substratet (SiO2) i små biter med en omtrentlig dimensjon på 2,5 cm x 2 cm.
  6. Ets kobberet ved hjelp av grafen kommersiell etser (jernklorid) (se Materialfortegnelse). Ikke fortynn etchant. Flyt prøven med kobbersiden ned og PMMA-siden opp på væskeets etchant.
  7. Etter kobberetsing løfter du grafenfilmen sakte ved hjelp av det plasmabehandlede substratet.
  8. Lufttørk den overførte grafen i 2 timer og stek deretter ved 80 °C i 15 minutter.
  9. Fjern pmmaet ved å følge trinnene nedenfor.
    1. Varm opp prøven med acetondamp ved 70 °C. Oppbevar prøven på ~2 cm over acetondamp i 4 minutter med PMMA-siden vendt ned. Senk deretter prøven ned i aceton i 5 min.
    2. Vask prøven med DI-vann forsiktig og følg den overførte grafen under et mikroskop. Til slutt tørker du forsiktig prøven med N2.
    3. Utfør atomkraftmikroskopi (AFM) observasjon for å sikre PMMA rester-fri grafen. Hvis PMMA-rester er synlige i bildet, utfører du acetondamprengjøring og nedsenking igjen.
  10. Utfør Raman- og AFM-karakterisering for å bekrefte monolayeren for grafenoverføring og observere overflateegenskapene (figur 1A,B).

2. Fabrikasjon av grafen felt effekt transistor (GFET)

  1. Vask substratet med det overførte grafenet ved hjelp av aceton, IPA og DI-vann; deretter bake substratet på en varm plate ved 75 °C i 30 min (figur 2A).
  2. Bruk E-beam fordamper30 (se Materialtabell), deponer 5 nm nikkel og 45 nm gull på grafenprøven (figur 2B).
  3. Påfør den førstefotolitografien 30-prosessen med maske A (tilleggsfigur 1) for mønsteret av elektrodene (figur 2C).
  4. Spinn en positiv fotoresist (AZ 5214E, se Materialtabell) på prøven (2000 o/min i 45 s) og herd prøven ved 120 °C i 1 min.
  5. Plasser prøven i UV-flomeksponeringssystemet og utsett den for ~ 10 s under 200 mJ / cm2.
  6. Utvikle prøven med en fotoresistutvikler (AZ300 MIF, se Materialtabell) i ~2 min, og skyll deretter med DI-vann.
  7. Fordyp prøven i en gulleterkant for å etse gulllaget i 10 s; skyll med DI-vann og fjern det gjenværende fotoresistlaget ved å nedsenke i aceton i 10 min (figur 2C).
  8. Bruk aceton, IPA og DI-vann til å vaske prøven. stekes på en varm plate ved 75 °C i 30 minutter. Bruk deretter den andre fotolittografiprosessen ved hjelp av maske B (tilleggsfigur 1) for å mønstre grafenkanalene.
    MERK: Bruk de samme prosessparametrene som den første (trinn 2.4-2.6), unntatt UV-eksponeringssystemet i maskejusteringen (figur 2D).
  9. Senk prøven i nikkel etse ved 60 °C for å etse nikkellaget i 10 s; skyll med DI-vann; føn med N2 (figur 2D).
  10. Plasser prøven i plasma asher og fjern eksponert grafen ved hjelp av oksygenplasma (100 W i 90 s med oksygenstrøm ved 49 sccm); Deretter fjerner du fotoresistlaget ved å nedsenke i aceton i 10 min (figur 2E).
  11. Vask prøven med aceton, IPA og DI-vann; bake på en varm plate ved 75 °C i 30 minutter og påfør den tredje fotolitografiprosessen ved hjelp av maske C (tilleggsfigur 1) for mønsteret av passivasjonsfotoresistlaget for å beskytte den underliggende grafen på substratet. Bruk de samme prosessparametrene som de første (trinn 2.4-2.6), bortsett fra UV-eksponeringssystemet i maskejusteringen (figur 2F).
  12. Etter den tredje fotolitografiprosessen, senk prøven i nikkel etchant ved 60 °C i 10 s for å fjerne det gjenværende nikkellaget; Skyll deretter med DI-vann og blås tørt med N2 (figur 2G). Til slutt baker du prøven på en kokeplate ved 120 °C i 30 minutter (figur 2H).

3. Funksjonalisering av GFET for IgG-deteksjon

  1. Sett sammen prøveleveringskanalen.
    1. Lag prøveleveringskanalen i PDMS ved hjelp av myke litografiteknikker31.
    2. Senk grafenenheten ned i 0,1 M NaOH-oppløsning i 30 s; skyll med DI-vann og legg et tynt vannlag på enhetens overflate for å hjelpe PDMS-brønnens justering og binding. Aktiver deretter PDMS-brønnens overflate ved hjelp av oksygenplasma.
    3. Juster prøveleveringskanalen og grafenenheten under et mikroskop. plasser den justerte enheten i en 60 °C ovn i 3 timer for å tillate binding. Den monterte enheten vises i figur 3A.
  2. Funksjonaliser GFET.
    1. Funksjonaliser grafenoverflaten med IgG aptamer (se Materialtabell). Bruk pipetter til å laste inn og fjerne hvert reagens eller hver buffer fra PDMS-brønnen. Den skjematiske prosessen vises i figur 4.
      MERK: Følgende trinn ble operert ved romtemperatur.
    2. Etter skylling av grafenoverflaten med DMSO tre ganger, påfør 1-pyren smørsyre N-hydroksysuccinimid ester (PBASE, 10 mM oppløst i DMSO, se Materialtabell) og hold i 2 timer.
    3. Etter skylling med DMSO, påfør 5'amino-modifisert IgG aptamer (20 μM i 1x PBS), inkuber i 3 timer, og skyll med 1x PBS tre ganger.
    4. Påfør bovint serumalbumin (BSA, 10% m/v i 1x PBS) på grafen i 1 time og skyll med 1x PBS tre ganger.

4. IgG-deteksjon

  1. Skyll enheten med 0,01x PBS tre ganger. Fyll PDMS-brønnen med 0,01x PBS (deteksjonsbuffer) (figur 3A, B).
  2. Koble elektrodene til en parameteranalysator med høy ytelse (se Materialtabell). Koble kildeelektroden til bakken, avløpet og portelektrodene til kildemålingsenheter (SMU 1 og SMU 2) som er utstyrt med parameteranalysatoren (figur 3C).
  3. Definer målingsparameterne, og slå på prøveprosessen.
  4. Test responsen til EGGFET til IgG ved å kontinuerlig overvåke avløpsstrømmen. Løs opp IgG i 0,01x PBS med forskjellige konsentrasjoner, legg til løsningen i deteksjonskammeret, og overvåk dreneringsstrømmen kontinuerlig. Lagre dataene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De representative resultatene viser den overførte CVD-grafenen preget av henholdsvis Raman og AFM. G-toppen og 2D-toppene i Raman-bildet gir omfattende informasjon om eksistensen og kvaliteten på den overførte monolayergrafen32 (figur 1). Standard litografiprosesser30,31 ble brukt til fremstilling av GFET-enheten, som vist i figur 2. Figur 3 viser den fabrikkerte GFET med monterte PDMS prøveleveringsbrønner og det eksperimentelle oppsettet. PDMS ble blandet med et vektforhold på 10:1 og kastet i en Petri-tallerken. Deretter ble hele parabolen med PDMS-blanding bakt i en ovn ved 60 °C i 3 timer. Den herdede PDMS ble skrelt av fatet og trimmet til en terning (1 cm x 1 cm × 1 cm). Brønnen (6 mm diameter) ble deretter opprettet ved å stanse PDMS-kuben med en puncher.

Skjematiske funksjonaliseringsprosesser for IgG-deteksjon av EGGFET er vist i figur 4, og figur 5 viser IgG-deteksjonen under forskjellige elektrolyttforhold24. PBASE, et mye brukt funksjonaliseringsreagens for grafen, kan adsorbert på grafenoverflaten gjennom en π-π interaksjon24 uten å skade grafenens elektriske egenskaper (figur 4A). En 5′amino-modifisert IgG aptamer er konjugert med PBASE av amide bond linkages mellom reaktive N-hydroxysuccinimide (NHS) ester i PBASE og amine gruppen på 5′ enden av IgG aptamer (Figur 4B). Bovine serumalbumin (BSA) inkubasjon, en standard tilnærming for biosensordeteksjon, ble brukt til å blokkere de resterende ukonjugede stedene etter skylling av enheten med 1x PBS (figur 4C). En mer detaljert diskusjon finner du i vårt tidligere publiserte arbeid24. Ag/AgCl-referanseelektroden ble brukt til å definere portpotensialet under deteksjonen. Deteksjonsområdet, konsentrasjonsområdet som en sensor på en pålitelig måte kan måle, er fastslått å være rundt ~ 2-50 nM for EGGFET-enheten. Mer detaljerte diskusjoner for kjemiske prinsipper og måleprinsipper involvert i IgG-deteksjon og EGGFET sin følsomhets- og deteksjonsgrense ble rapportert tidligere24.

Figure 1
Figur 1: CVD-grafen er preget av Raman og AFM spektroskopi. (A) Representativ Raman spektrum av den overførte grafen. G-toppen og 2D-toppene er de dominerende toppene av uberørt grafen. (B) Representativt AFM-bilde av grafen. De tilsvarende høydeprofilene i AFM-bildet vises i det nederste panelet langs den blå stiplede linjen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Skjematisk fabrikasjon av grafenfelteffekttransistor. (A) Monolayer-grafen overført til silisiumdioksidunderlag. (B) Nikkel og gull deponert på overført grafen. (C) Gull etset etter den første fotolittografiprosessen. (D) Nikkel etset etter den andre fotolittografiprosessen. (E) Fjerne ubeskyttet grafen ved hjelp av oksygenplasma. (F) Belegg mønsteret med fotoresist for passiviseringslag og utføre den tredje fotolitografiprosessen. (G) Nikkel etset etter den tredje fotolittografiprosessen. (H) Annealing etter etsning av nikkel. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Enhet og eksperimentelt oppsett for IgG-deteksjon. (A) EGGFET biosensor integrert med en standard Ag/AgCl-referanseelektrode og en PDMS-brønn for å inneholde prøven. (B) Den forstørrede visningen av grafenkanalen. (C) Det skjematiske diagrammet for kretstilkoblingen for å oppdage IgG ved hjelp av EGGFET biosensor. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Funksjonalisering av grafenoverflaten for IgG-deteksjon. Gjengitt med tillatelse fra referanse24. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: EggFET biosensorens respons på biomarkøren IgG under ulike fortynningsstoffer. Gjengitt med tillatelse fra referanse24. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende figur 1: Maskedesign som brukes til fotolittografiprosesser. (A) Maskedesignet som brukes i den første fotolittografiprosessen. Elektrodene er gitt med dimensjoner i det forstørrede bildet A1. (B) Maskedesign som brukes i den andre fotolitografien med dimensjoner. (C) Maskedesign som brukes i den tredje fotolittografiprosessen. Elektrodene er gitt med dimensjoner i det forstørrede bildet C1. (D) Sluttproduktet av alle tre fotolitografiprosessene og det forstørrede bildet D1 viser elektrodekonfigurasjonene. Enhetene for dimensjonene er i millimeter (mm). Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den kjøpte CVD-grafen på kobberfilm må trimmes til riktig størrelse for følgende fabrikasjonstrinn. Kutting av filmene kan forårsake rynker, noe som må forhindres. Parametrene i fabrikasjonstrinnet kan refereres til for plasmaetsing av grafen, og disse tallene kan varieres ved bruk av forskjellige instrumenter. Den etsede prøven må overvåkes nøye og inspiseres for å sikre fullstendig grafenetsing. Flere forrensingsmetoder kan brukes til å rengjøre substratene, for eksempel sonikering i aceton, IPA og DI-vann i 5 min, DI-vann skylling og nitrogengasstørking eller behandling med O2 plasma (300 W, ved ~ 100 sccm i 5 minutter). Kobberetsetningshastighet er ca. 1,25-1,67 mikron/min mens du bruker den kommersielle jernklorid kobberets etchant. Nær observasjon er nødvendig for etsningsprosessen. Etter etsingen er det nødvendig med tilstrekkelig skylling med DI-vann.

Acetonrengjøringsteknikken som er nevnt i protokollen er den optimale rester rengjøringsteknikken. Plasmarengjøring har risiko for å skade monolayergrafen. Så den mest grafen lagvennlige teknikken er acetonrengjøring. Men å fjerne PMMA-rester er også av største betydning da det påvirker de sistnevnte prosessene. Å gjøre Raman spektroskopi og AFM kan gi sanntidskvaliteten på grafen og PMMA-rester. Instrumentene og kjemikaliene som brukes i protokollen er kritiske, da disse direkte påvirker kvaliteten på den fabrikkerte enheten. Så, kvaliteten på instrumentene og gyldigheten av kjemikaliene må kontrolleres og oppdateres.

PBASE må holdes tørr og oppbevares i -20 °C fryser for å unngå hydrolyse for bioreseptorfunksjonalisering. Det lagrede hetteglasset må nå romtemperatur før det åpnes; Ellers kan vann kondensere inne i hetteglasset og hydrolysere PBASE. For å lage 10 mM PBASE, må 100 mM PBASE-løsning tilberedes først ved å oppløse 38,5 mg PBASE i 1 ml DMSO og deretter fortynne den med en faktor på 10.

Fordi reagensene og bufferne ble lagt til eller fjernet ved å pipettere direkte inn i PDMS-brønnen, ville ikke enheten som ble demonstrert i manuskriptet tillate en kalibrering på stedet med negativ kontroll. En flerkanals array integrert med en riktig designet mikrofluidisk enhet ville være nødvendig for dette formålet. Videreutvikling av enheten, for eksempel å kombinere den med en sidestrømsplattform, vil gi stort potensial for pleiepunkt33. I tillegg er grensesnittet mellom fast og flytende et tema av stor vitenskapelig og teknologisk betydning34. For eksempel, i det spesielle tilfellet av vandige medier og grafen, spiller det en avgjørende rolle i mange nye anvendelser av grafen, for eksempel analytisk kjemi35, energilagring og konvertering36, vannfiltrering37 og biosensing38. Unraveling oppførselen ved grensesnittet har essensiell vitenskapelig og teknisk betydning, spesielt for en nøyaktig og mer dyptgående forståelse av grafenens egenskaper og praktiske applikasjoner39,40.

I det nåværende arbeidet er det gitt en detaljert protokoll for å demonstrere utviklingen av EGGFET biosensor og dens anvendelse i biomarkørdeteksjon. For praktisk bruk av CVD grafen overført av PMMA tilnærming, er det viktig å fjerne PMMA rester helt for å få en ren overflate. Metoden fjerner effektivt PMMA-rester samtidig som den underliggende grafengitteret bevares. Den funksjonelle enheten viser konsistente resultater for å oppdage menneskelig IgG. Interesserte forskere kan bruke denne protokollen som referanse for å bygge enheter for spesifikke applikasjoner, for eksempel å studere grensesnittinteraksjoner, biosensing, utvikle lignende enheter ved hjelp av andre nanomaterialer, etc.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende interesser eller motstridende interesser å avsløre.

Acknowledgments

Eksperimentene ble utført ved West Virginia University. Vi anerkjenner shared research fasiliteter ved West Virginia University for enhet fabrikasjon og material karakterisering. Dette arbeidet ble støttet av US National Science Foundation under 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

  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

Engineering Utgave 180 Kjemisk damp deponert (CVD) grafen grafenoverføring felteffekttransistor biomarkørdeteksjon
Utvikling og funksjonalisering av elektrolyttportet grafen felteffekttransistor for biomarkørdeteksjon
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