Waiting
Login processing...

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

Engineering

Desenvolvimento e funcionalização do Transistor de Efeito de Campo de Grafeno Fechado-Eletrólito para Detecção de Biomarcadores

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

O presente protocolo demonstra o desenvolvimento do biosensor de efeito de campo de grafeno (EGGFET) e sua aplicação na detecção de imunoglobulina G (IgG) biomarcadora.

Abstract

No presente estudo, o grafeno e seus derivados têm sido investigados e usados para muitas aplicações, incluindo eletrônicos, sensoriamento, armazenamento de energia e fotocatálise. Síntese e fabricação de alta qualidade, boa uniformidade e baixo grafeno de defeitos são fundamentais para dispositivos de alto desempenho e altamente sensíveis. Entre muitos métodos de síntese, a deposição de vapor químico (DCV), considerada uma abordagem líder na fabricação do grafeno, pode controlar o número de camadas de grafeno e produzir grafeno de alta qualidade. O grafeno CVD precisa ser transferido dos substratos metálicos nos quais é cultivado em substratos isolantes para aplicações práticas. No entanto, a separação e transferência do grafeno para novos substratos são desafiadoras para uma camada uniforme sem danificar ou afetar as estruturas e propriedades do grafeno. Além disso, o transistor de efeito de campo de grafeno com portão de eletrólito (EGGFET) foi demonstrado por suas amplas aplicações em várias detecções biomoleculares devido à sua alta sensibilidade e configuração padrão do dispositivo. Neste artigo, demonstram-se a abordagem de transferência de grafeno assistido por poli (metil) (PMMA), a fabricação de transistor de efeito de campo de grafeno (GFET) e a detecção de imunoglobulina G (IgG) biomarcadora. A espectroscopia de Raman e a microscopia de força atômica foram aplicadas para caracterizar o grafeno transferido. O método mostra-se uma abordagem prática para transferir grafeno limpo e livre de resíduos, preservando a rede de grafeno subjacente em um substrato isolante para aplicações eletrônicas ou biosensantes.

Introduction

O grafeno e seus derivados têm sido investigados e utilizados para muitas aplicações, incluindo eletrônicos 1,2, detecçãode 3,4,5, armazenamento de energia 6,7 e fotocatálise 1,6,8. Síntese e fabricação de alta qualidade, boa uniformidade e baixo grafeno de defeitos são fundamentais para dispositivos de alto desempenho e altamente sensíveis. Desde o desenvolvimento da Deposição de Vapor Químico (DCV), em 2009, mostrou uma promessa colossal e estabeleceu seu lugar como membro essencial da família grafeno 9,10,11,12,13. É cultivado em um substrato metálico e, posteriormente para usos práticos, é transferido para substratos isolantes14. Vários métodos de transferência têm sido usados para transferir grafeno CVD recentemente. O método assistido poli (metil metil) (PMMA) é o mais utilizado entre as diferentes técnicas. Este método é particularmente adequado para o uso industrial devido à sua capacidade em larga escala, menor custo e alta qualidade do grafeno transferido14,15. O aspecto crítico deste método é livrar-se do resíduo PMMA para aplicações de grafeno DCV, pois os resíduos podem causar a diminuição das propriedades eletrônicas do grafeno 14,15,16, causar um efeito na sensibilidade e desempenho dos biosensores 17,18, e criar variações significativas de dispositivo para dispositivo19.

Biosensores baseados em nanomateriais têm sido significativamente investigados nas últimas décadas, incluindo nanofio de silício (SiNW), nanotubo de carbono (CNT) e grafeno20. Devido à sua estrutura de camada de átomo único e propriedades distintas, o grafeno demonstra características eletrônicas superiores, boa biocompatibilidade e funcionalidade fácil, tornando-se um material atraente para o desenvolvimento de biosensores 14,21,22,23. Devido a características de transistores de efeito de campo (FET), como alta sensibilidade, configuração padrão e produtibilidade de massaeconômica 21,24, o FET é mais preferido em implementações portáteis e point-of-care do que outros dispositivos de biosensibilidade baseados em eletrônicos. Os biosensores de efeito de campo de grafeno com portão de eletrólito (EGGFET) são exemplos dos FETs21,24 indicados. EggFET pode detectar vários analitos de alvo, como ácidos nucleicos25, proteínas 24,26, metabólitos27 e outros analitos biologicamente relevantes28. A técnica aqui mencionada garante a implementação do grafeno CVD em um dispositivo nanoeletrônico biosenso sem rótulos que oferece maior sensibilidade e detecção precisa de tempo sobre outros dispositivos de biosensão29.

Neste trabalho, é demonstrado um processo global para o desenvolvimento de um biosensor EGGFET e funcionalizá-lo para detecção de biomarcadores, incluindo a transferência do grafeno CVD para um substrato isolante, raman e caracterizações AFM do grafeno transferido. Além disso, a fabricação de EGGFET e a integração com um poço de entrega de amostras de polidimtilsiloxano (PDMS), a funcionalização do bioreceptor e a detecção bem sucedida da imunoglobulina humana G (IgG) do soro por experimentos de pico e recuperação também são discutidos aqui.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Transferência de deposição de vapor químico do grafeno

  1. Corte a folha de grafeno em um substrato de cobre ao meio (2,5 cm x 5 cm) usando uma tesoura. Aplique fita resistiva de calor para fixar os quatro cantos do quadrado de grafeno em uma junta giratória (ver Tabela de Materiais).
    NOTA: O grafeno adquirido tem uma dimensão de 5 cm x 5 cm (ver Tabela de Materiais).
  2. Reveste a folha do grafeno com uma camada fina (100-200 nm) de PMMA 495K A4 girando a 500 rpm por 10 s e depois 2000 rpm por 50 s. Em seguida, asse a amostra a 150 °C por 5 min.
  3. Remova a parte traseira do grafeno com plasma de oxigênio (ver Tabela de Materiais) a 30 W, 15 sccm por 5 min.
  4. Corte o quadrado de grafeno tratado com plasma em dimensões menores (1 cm x 2 cm) para fabricação do dispositivo.
  5. Corte o substrato pré-limpo (SiO2) em pequenos pedaços com uma dimensão aproximada de 2,5 cm x 2 cm.
  6. Etch o cobre fora usando o etchant comercial de grafeno (cloreto de ferrílico) (ver Tabela de Materiais). Não diluir o etchante. Flutue a amostra com o lado de cobre para baixo e o lado PMMA para cima no etchante líquido.
  7. Após a gravura de cobre, levante o filme de grafeno lentamente usando o substrato tratado com plasma.
  8. Seque o grafeno transferido por 2h e depois asse a 80 °C por 15 min.
  9. Remova o PMMA seguindo as etapas abaixo.
    1. Aqueça a amostra com vapor de acetona a 70 °C. Mantenha a amostra em ~2 cm acima do vapor de acetona por 4 minutos com o lado PMMA voltado para baixo. Em seguida, mergulhe a amostra em acetona por 5 minutos.
    2. Lave a amostra com água DI com cautela e observe o grafeno transferido sob um microscópio. Finalmente, seque suavemente a amostra com N2.
    3. Realize a observação da microscopia de força atômica (AFM) para garantir o grafeno livre de resíduos pmma. Se o resíduo pmma for visível na imagem, realize a limpeza e imersão do vapor de acetona mais uma vez.
  10. Realize a caracterização de Raman e AFM para confirmar a monocamada de transferência de grafeno e observar as propriedades da superfície (Figura 1A,B).

2. Fabricação do Transistor de Efeito de Campo de Grafeno (GFET)

  1. Lave o substrato com o grafeno transferido usando acetona, IPA e água DI; em seguida, asse o substrato em uma placa quente a 75 °C por 30 min (Figura 2A).
  2. Utilizando o evaporador E-beam30 (ver Tabela de Materiais), deposite 5 nm de níquel e 45 nm de ouro na amostra de grafeno (Figura 2B).
  3. Aplique o primeiro processo de fotolitografia30 utilizando a máscara A (Figura Suplementar 1) para a padronização dos eletrodos (Figura 2C).
  4. Gire um fotoresist positivo (AZ 5214E, consulte Tabela de Materiais) na amostra (2000 rpm para 45 s) e cure a amostra a 120 °C por 1 min.
  5. Coloque a amostra no sistema de exposição a inundações UV e exponha-a por ~10 s abaixo de 200 mJ/cm2.
  6. Desenvolva a amostra com um desenvolvedor fotoresist (AZ300 MIF, consulte Tabela de Materiais) por ~2 min e, em seguida, enxágue com água DI.
  7. Mergulhe a amostra em um etchant dourado para gravar a camada de ouro por 10 s; enxágüe com água DI e remova a camada fotoresistista restante imergindo em acetona por 10 min (Figura 2C).
  8. Usando acetona, IPA e água DI, lave a amostra; asse em uma placa quente a 75 °C por 30 min. Em seguida, aplique o segundo processo de fotolitografia utilizando a máscara B (Figura Suplementar 1) para padronizar os canais de grafeno.
    NOTA: Use os mesmos parâmetros de processo do primeiro (etapa 2.4-2.6), exceto o sistema de exposição UV no alinhador da máscara (Figura 2D).
  9. Mergulhe a amostra em etchant de níquel a 60 °C para gravar a camada de níquel por 10 s; enxaguar com água DI; secar usando N2 (Figura 2D).
  10. Coloque a amostra no asher plasma e remova o grafeno exposto usando plasma de oxigênio (100 W para 90 s com fluxo de oxigênio a 49 sccm); depois disso, remova a camada fotoresista imergindo em acetona por 10 min (Figura 2E).
  11. Lave a amostra usando acetona, IPA e água DI; asse em uma placa quente a 75 °C por 30 min e aplique o terceiro processo de fotolitografia usando a máscara C (Figura Suplementar 1) para a padronização da camada fotoresist de passivação para proteger o grafeno subjacente no substrato. Use os mesmos parâmetros de processo do primeiro (passo 2.4-2.6), exceto o sistema de exposição UV no alinhador da máscara (Figura 2F).
  12. Após o terceiro processo de fotolitografia, mergulhe a amostra em níquel etchante a 60 °C por 10 s para remover a camada de níquel restante; em seguida, enxágue com água DI e seque usando N2 (Figura 2G). Por fim, asse a amostra em uma placa quente a 120 °C por 30 min (Figura 2H).

3. Funcionalização do GFET para detecção de IgG

  1. Monte o canal de entrega de amostras.
    1. Fabricar o canal de entrega de amostras em PDMS utilizando técnicas de litografia macia31.
    2. Mergulhe o dispositivo de grafeno em 0,1 M de solução NaOH para 30 s; enxágüe com água DI e deixe uma fina camada de água na superfície do dispositivo para auxiliar o alinhamento e a ligação do poço PDMS. Em seguida, ative a superfície do poço PDMS usando plasma de oxigênio.
    3. Alinhar o canal de entrega de amostras e o dispositivo de grafeno sob um microscópio; coloque o dispositivo alinhado em um forno de 60 °C por 3 h para permitir a ligação. O dispositivo montado é mostrado na Figura 3A.
  2. Funcionalize o GFET.
    1. Funcionalize a superfície de grafeno com aptamer IgG (ver Tabela de Materiais). Use pipetas para carregar e remova cada reagente ou tampão do poço PDMS. O processo esquemático é mostrado na Figura 4.
      NOTA: As seguintes etapas foram operadas em temperatura ambiente.
    2. Depois de enxaguar a superfície do grafeno com DMSO três vezes, aplique 1-pireno ácido butírico N-hidroxisuccinimide éster (PBASE, 10 mM dissolvido em DMSO, consulte Tabela de Materiais) e mantenha por 2h.
    3. Depois de enxaguar com DMSO, aplique 5'amino-modificado aptamer IgG (20 μM em 1x PBS), incubar por 3 h e enxaguar com 1x PBS três vezes.
    4. Aplique albumina de soro bovino (BSA, 10% w/v em 1x PBS) no grafeno por 1 h e enxágue com 1x PBS três vezes.

4. Detecção de IgG

  1. Enxágüe o dispositivo com PBS 0,01x três vezes. Encha bem o PDMS com PBS 0,01x (tampão de detecção) (Figura 3A,B).
  2. Conecte os eletrodos com um analisador de parâmetros de alto desempenho (ver Tabela de Materiais). Conecte o eletrodo de origem ao solo, ao dreno e aos eletrodos do portão às Unidades de Medição de Origem (SMU 1 e SMU 2) equipados com o analisador de parâmetros, respectivamente (Figura 3C).
  3. Configure os parâmetros de medição e ligue o processo de amostragem.
  4. Teste a resposta do EGGFET ao IgG monitorando continuamente a corrente de drenagem. Dissolver o IgG em PBS 0,01x com diferentes concentrações, adicionar a solução na câmara de detecção e monitorar a corrente de drenagem continuamente. Guarde os dados.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Os resultados representativos mostram o grafeno DCD transferido caracterizado por Raman e AFM, respectivamente. O pico G e os picos 2D da imagem de Raman dão informações abrangentes sobre a existência e a qualidade do grafeno monocamadotransferido 32 (Figura 1). Os processos de litografia padrão30,31 foram aplicados para a fabricação do dispositivo GFET, conforme mostrado na Figura 2. A Figura 3 mostra o GFET fabricado com poços de entrega de amostras PDMS montados e a configuração experimental. O PDMS foi misturado em uma razão de peso de 10:1 e lançado em uma placa de Petri. Em seguida, o prato inteiro com mistura PDMS foi assado em um forno a 60 °C por 3 h. O PDMS curado foi descascado do prato e aparado a um cubo (1 cm x 1 cm × 1 cm). O poço (6 mm de diâmetro) foi então criado perfurando o cubo PDMS com um perfurador.

Processos de funcionalização esquemática para detecção de IgG por EGGFET são mostrados na Figura 4, e a Figura 5 mostra a detecção de IgG em diferentes condições de eletrólitos24. PBASE, um reagente de funcionalização amplamente utilizado para grafeno, pode ser adsorvido na superfície do grafeno através de uma interação π-π24 sem danificar as propriedades elétricas do grafeno (Figura 4A). Um aptamer IgG modificado de 5'amino é conjugado com PBASE pelas ligações de laços entre o éster N-hidroxysuccinimide n reativo (NHS) em PBASE e o grupo de amina na extremidade de 5′ do aptamer IgG (Figura 4B). A incubação de álbuns de soro bovino (BSA), uma abordagem padrão para detecção de biosensor, foi usada para bloquear os locais restantes não julgados após enxaguar o dispositivo com 1x PBS (Figura 4C). Uma discussão mais detalhada pode ser encontrada em nosso trabalho publicado anteriormente24. O eletrodo de referência Ag/AgCl foi aplicado para definir o potencial do portão durante a detecção. A faixa de detecção, a faixa de concentração que um sensor pode medir de forma confiável, é determinada como cerca de ~2-50 nM para o dispositivo EGGFET. Discussões mais detalhadas sobre princípios químicos e de medição envolvidos na detecção de IgG e no limite de sensibilidade e detecção do EGGFET foram relatadas anteriormente24.

Figure 1
Figura 1: O grafeno CVD é caracterizado por Raman e espectroscopia AFM. (A) Espectro raman representativo do grafeno transferido. O pico G e os picos 2D são os picos predominantes de grafeno imaculado. (B) Imagem representante AFM do grafeno. Os perfis de altura correspondentes na imagem AFM são mostrados no painel inferior ao longo da linha azul tracejada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Fabricação esquemática do transistor de efeito de campo de grafeno. (A) grafeno monocamado transferido para substratos de dióxido de silício. (B) Níquel e Ouro depositados no grafeno transferido. (C) Ouro gravado após o primeiro processo de fotolitografia. (D) Níquel gravado após o segundo processo de fotolitografia. (E) Remoção do grafeno desprotegido usando plasma de oxigênio. (F) Revestir o padrão com fotoresist para camadas passivation e realizar o terceiro processo de fotolitografia. (G) Níquel gravado após o terceiro processo de fotolitografia. (H) Ressarem após a gravura de níquel. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Configuração de dispositivo e experimental para detecção de IgG. (A) O biosensor EGGFET integrado com um eletrodo de referência Ag/AgCl padrão e um poço PDMS para conter a amostra. (B) A visão ampliada do canal de grafeno. (C) O diagrama esquemático da conexão do circuito para detectar IgG utilizando o biosensor EGGFET. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Funcionalidade da superfície de grafeno para detecção de IgG. Reimpresso com permissão do Reference24. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: A resposta do biosensor EGGFET ao Biomarcador IgG sob diferentes diluentes. Reimpresso com permissão do Reference24. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura suplementar 1: Desenhos de máscaras utilizados para processos de fotolitografia. (A) O desenho da máscara usado no primeiro processo de fotolitografia. Os eletrodos são dados com dimensões na imagem ampliada A1. (B) Desenho da máscara usado na segunda fotolitografia com dimensões. (C) Design da máscara usado no terceiro processo de fotolitografia. Os eletrodos são dados com dimensões na imagem ampliada C1. (D) O produto final dos três processos de fotolitografia e da imagem ampliada D1 mostra as configurações do eletrodo. As unidades para as dimensões estão em milímetros (mm). Clique aqui para baixar este Arquivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

O grafeno CVD adquirido em filme de cobre precisa ser aparado ao tamanho certo para as seguintes etapas de fabricação. O corte dos filmes pode causar enrugamento, o que precisa ser evitado. Os parâmetros fornecidos na etapa de fabricação podem ser referidos para gravura plasmática de grafeno, e esses números podem ser variados ao usar diferentes instrumentos. A amostra gravada deve ser monitorada e inspecionada de perto para garantir a gravação completa do grafeno. Vários métodos de pré-limpeza podem ser aplicados para limpar os substratos, como sônica em acetona, IPA e dI por 5 min, lavagem de água DI e secagem ou tratamento de gás nitrogênio com plasma O2 (300 W, a ~100 sccm por 5 min). A taxa de gravura de cobre é de cerca de 1,25-1,67 míclico/min enquanto usa o etchant comercial de cobre de cloreto férrico. A observação atenta é necessária para o processo de gravação. Após a gravação, é necessário enxaguar o suficiente com água DI.

A técnica de limpeza de acetona mencionada no protocolo é a técnica ideal de limpeza de resíduos. A limpeza plasmática tem o risco de prejudicar o grafeno de monocamadas. Então, a técnica mais amigável à camada de grafeno é a limpeza de acetonas. Mas a remoção do resíduo pmma também é de fundamental importância, pois afeta os últimos processos. Fazer espectroscopia de Raman e AFM pode dar a qualidade em tempo real do grafeno e do resíduo pmma. Os instrumentos e os produtos químicos utilizados no protocolo são críticos, pois estes influenciam diretamente na qualidade do dispositivo fabricado. Assim, a qualidade dos instrumentos e a validade dos produtos químicos precisam ser verificados e atualizados.

PBASE precisa ser mantido seco e armazenado em congelador de -20 °C para evitar hidrólise para a funcionalidade do bioreceptor. O frasco armazenado precisa atingir a temperatura ambiente antes de abri-lo; caso contrário, a água poderia condensar dentro do frasco e hidrolisar o PBASE. Para fazer 10 mM de PBASE, 100 mM de solução PBASE precisa ser preparado primeiro, dissolvendo 38,5 mgs de PBASE em 1 mL de DMSO e, em seguida, diluindo-a por um fator de 10.

Como os reagentes e buffers foram adicionados ou removidos por tubulação diretamente no poço PDMS, o dispositivo demonstrado no manuscrito não permitiria uma calibração no local com controle negativo. Uma matriz multicanal integrada a um dispositivo microfluido devidamente projetado seria necessária para este fim. O desenvolvimento adicional do dispositivo, como combiná-lo com uma plataforma de fluxo lateral, proporcionaria grande potencial para aplicações de ponto de atendimento33. Além disso, a interface entre sólido e líquido é um tema de grande importância científica e tecnológica34. Por exemplo, no caso particular de mídia aquosa e grafeno, ele desempenha um papel crucial em muitas aplicações emergentes de grafeno, por exemplo, química analítica35, armazenamento e conversãode energia 36, filtraçãode água 37 e biosensagem38. Desvendar o comportamento na interface tem um significado científico e técnico essencial, especialmente para uma compreensão precisa e mais aprofundada das propriedades do grafeno e aplicações práticas39,40.

No presente trabalho, é fornecido um protocolo em detalhes para demonstrar o desenvolvimento do biosensor EGGFET e sua aplicação na detecção de biomarcadores. Para usos práticos do grafeno CVD transferido pela abordagem PMMA, é fundamental remover completamente os resíduos de PMMA para obter uma superfície limpa. O método remove efetivamente os resíduos de PMMA, preservando a rede de grafeno subjacente. O dispositivo funcional mostra resultados consistentes para detectar IgG humano. Pesquisadores interessados poderiam usar este protocolo como referência para construir dispositivos para aplicações específicas, como estudar interações de interface, biosensar, desenvolver dispositivos semelhantes usando outros nanomateriais, etc.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm interesses concorrentes ou interesses conflitantes para divulgar.

Acknowledgments

Os experimentos foram realizados na Universidade de West Virginia. Reconhecemos as Instalações de Pesquisa Compartilhada da Universidade de West Virginia para fabricação de dispositivos e caracterização de materiais. Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA sob o 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

Engenharia Edição 180 grafeno depositado em vapor químico (CVD) transferência de grafeno transistor de efeito de campo detecção de biomarcadores
Desenvolvimento e funcionalização do Transistor de Efeito de Campo de Grafeno Fechado-Eletrólito para Detecção de Biomarcadores
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