Biyobelirteç Tespiti için Elektrolit Kapılı Grafen Alan Etkili Transistörün Geliştirilmesi ve İşlevselleştirilmesi
1 Şubat 2022
Mevcut protokol, elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET) biyosensörünün gelişimini ve biyobelirteç immünoglobulin G (IgG) tespitindeki uygulamasını göstermektedir.
Yöntem, altta yatan grafen kafesi korurken PMMA kalıntılarını etkili bir şekilde giderir. Fonksiyonel cihaz, kan serumundaki IgG antikorlarının saptanmasında tutarlı sonuçlar göstermektedir. Ayrıca, protokol CVD grafeninin gerçek zamanlı, etiketsiz bir biyo-algılama cihazında uygulanmasını sağlar.
Adımlar oldukça basittir ve minimum eğitimle yapılabilir. Cihaz, diğer biyolojik algılama cihazlarına göre yüksek seçicilik, yüksek hassasiyet ve gerçek zamanlı algılama sunar Bir neşter kullanarak bakır bir substrat üzerindeki grafen tabakayı ikiye bölerek başlayın. Grafen karenin dört köşesini eğirici bir contaya sabitlemek için ısıya dayanıklı bant uygulayın.
Grafenin kare tabakasını 100 ila 200 nanometre PMMA 495K A4 ince bir tabaka ile kaplayın, 10 saniye boyunca dakikada 500 dönüşte ve ardından 50 saniye boyunca dakikada 2.000 rotasyonda döndürün. Ardından, numuneyi beş dakika boyunca 150 santigrat derecede pişirin. Grafenin arka tarafını, beş dakika boyunca dakikada 15 standart santimetreküplük bir hız akışı kullanarak 30 watt'ta oksijen plazması ile çıkarın.
Cihaz üretimi için plazma ile işlenmiş grafen kareyi bir santimetre genişliğinde ve iki santimetre yüksekliğinde bir boyuta kesin. Önceden temizlenmiş silika substratı yaklaşık dört santimetre genişliğinde ve iki santimetre yüksekliğinde küçük parçalara ayırın. Grafen aşındırıcı ferrik klorürü seyreltmeden kullanarak bakırı kazıyın.
Numuneyi bakır tarafı aşağı ve PMMA tarafı yukarı bakacak şekilde sıvı kazıma üzerinde yüzdürün. Bakır aşındırmadan sonra, plazma ile işlenmiş substratı kullanarak grafen filmi yavaşça kaldırın. Aktarılan grafen filmi iki saat boyunca hava ile kurutun, ardından sıcak bir tabakta pişirin.
PMMA'yı çıkarmak için, numuneyi PMMA tarafı aşağı bakacak şekilde dört dakika boyunca aseton buharının yaklaşık iki santimetre üzerinde tutarak numuneyi 70 santigrat derecede aseton buharı ile ısıtarak başlayın. Ardından, numuneyi beş dakika boyunca asetona batırın. Numuneyi deiyonize suyla dikkatlice yıkayın.
Son olarak, numuneyi azotla hafifçe kurulayın. Substratı aseton, izopropil alkol ve deiyonize su kullanarak aktarılan grafen ile yıkayın. Ardından, substratı 30 dakika boyunca 75 santigrat derecede sıcak bir tabakta pişirin.
Bir elektron ışını evaporatörü kullanarak, grafen numunesi üzerinde sırasıyla 5 ve 45 nanometre kalınlığında nikel ve altın biriktirin. Elektrotların desenlenmesi için A maskesini kullanarak ilk fotolitografi işlemini uygulayın. Numune üzerindeki AZ 5214E pozitif fotodirenci 45 saniye boyunca dakikada 2.000 dönüşte döndürün ve numuneyi bir dakika boyunca 120 santigrat derecede kürleyin.
Numuneyi ultraviyole sele maruz kalma sistemine yerleştirin ve santimetre kare başına 200 milijoule altında yaklaşık 10 saniye maruz bırakın. Numuneyi yaklaşık iki dakika boyunca bir fotodirenç geliştiricisi AZ 300 MIF ile geliştirin ve ardından deiyonize su ile durulayın. Altın tabakayı 10 saniye boyunca kazımak için numuneyi altın bir kazımaya batırın, deiyonize suyla durulayın ve kalan fotorezist tabakayı 10 dakika boyunca asetona batırarak çıkarın.
Aseton, izopropil alkol ve deiyonize su kullanarak, numuneyi yıkayın ve ardından 30 dakika boyunca 75 santigrat derecede sıcak bir tabakta pişirin. Ardından, grafen kanallarını modellemek için B maskesini kullanarak ikinci fotolitografi işlemini uygulayın. Nikel tabakasını 10 saniye boyunca kazımak için numuneyi 60 santigrat derecede nikel kazıma işlemine batırın.
Deiyonize su ile durulayın ve azot kullanarak fön ile kurutun. Numuneyi plazma kesicisine yerleştirin ve oksijen plazmasını kullanarak maruz kalan grafeni çıkarın. Daha sonra, 10 dakika boyunca asetona batırarak fotodirenç tabakasını çıkarın.
Numuneyi aseton, IPA ve deiyonize su kullanarak yıkayın ve 30 dakika boyunca 75 santigrat derecede sıcak bir tabakta pişirin. Substrat üzerindeki altta yatan grafeni korumak için pasivasyon fotodirenç tabakasını modellemek için C maskesini kullanarak üçüncü fotolitografi işlemini uygulayın. Pozitif fotodirençle eğirme, numuneyi kürleme ve fotodirenç geliştirici ile geliştirme dahil olmak üzere daha önce belirtildiği gibi aynı proses parametrelerini kullanın.
Daha sonra, kalan nikel tabakasını çıkarmak için numuneyi 10 saniye boyunca 60 santigrat derecede nikel aşındırmaya batırın ve ardından deiyonize suyla durulayın ve azot kullanarak fön ile kurutun. Son olarak, numuneyi 30 dakika boyunca 120 santigrat derecede sıcak bir tabakta pişirin. Temsili sonuçlar, Raman ve atomik kuvvet mikroskobu ile karakterize edilen transfer edilen CVD grafenini göstermektedir.
Raman görüntüsünün G zirvesi ve iki boyutlu zirveleri, aktarılan tek katmanlı grafenin varlığı ve kalitesi hakkında kapsamlı bilgi verir. Şekil, gümüş klorür referans elektrodunda standart bir gümüş ile entegre EEG FET biyosensörünü ve numuneyi içermek için bir polidimetil siloksan kuyusunu göstermektedir. Ayrıca, grafen kanalının genişletilmiş görünümü, kaynak elektrotun zemine, drenaja ve kapı elektrotlarının kaynağa bağlantısını gösterir.
Grafen için yaygın olarak kullanılan bir işlevselleştirme reaktifi olan PBASE, grafenin elektriksel özelliklerine zarar vermeden bir pi-pi etkileşimi yoluyla grafen yüzeyinde emilebilir. 5 asal amino modifiye edilmiş bir IgG aptamer, PBASE'deki reaktif ve hidroksi-6 sinnamid esteri ile IgG aptamerinin 5 asal ucundaki amin grubu arasındaki amid bağı bağlantıları ile PBASE ile konjuge edilir. Sığır serum albümin inkübasyonu, cihazı tek mukavemetli PBS ile duruladıktan sonra kalan konjuge olmayan bölgeleri bloke etmek için kullanıldı Şekil, farklı elektrolit koşulları altında IgG tespitini göstermektedir.
Grafenin kalitesi, bu cihazın en iyi performansının anahtarıdır. Bu nedenle, plazma aşındırma sırasında, plazmanın grafenin faydalı bölgelerine zarar vermediğinden emin olunması gerekir. Ayrıca, temiz bir grafen yüzeyi elde etmek için PMMA kalıntılarının tamamen temizlenmesi gerekir.
İşlevsel cihaz, insan IgG antikorunu tespit etmede tutarlı sonuçlar gösterir, bu nedenle prosedür, arayüz etkileşimlerini ve biyoalgılamayı incelemek için diğer nanomalzemelerle cihazlar oluşturmak için bir referans olarak kullanılabilir.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu protokol, immünoglobulin G (IgG) biyobelirteçlerinin tespiti için elektrolit kapılı grafen alan etkili transistör (EGGFET) biyosensörünün geliştirilmesini göstermektedir. Yöntem, gerçek zamanlı ve etiketsiz biyosensörleme imkanı sunarken yüksek seçicilik ve hassasiyet sağlar.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Biyoteknoloji
- Elektronik
Arka Plan
- Grafen, biyosensör uygulamaları için gelecek vaat eden bir malzemedir.
- Elektrolit kapılı transistörler, biyosensörlerin performansını artırabilir.
- İmmünoglobulin G (IgG), çeşitli hastalıklarda kritik bir biyobelirteçtir.
- Gerçek zamanlı tespit, etkili teşhis için esastır.
Çalışmanın Amacı
- EGGFET teknolojisini kullanarak bir biyosensör geliştirmek.
- Biyosensörün IgG tespitindeki uygulamasını göstermek.
- Araştırmacıların takip edebileceği basit bir protokol sunmak.
Kullanılan Yöntemler
- Bakır altlık üzerindeki grafen tabakalarının kesilmesi.
- Grafeni sabitlemek için ısıya dayanıklı bant uygulanması.
- Cihaz üretimi için CVD grafen kullanılması.
- Cihazın, IgG tespiti için kan serum örnekleriyle test edilmesi.
Temel Sonuçlar
- Cihaz, IgG antikorlarının tespitinde tutarlı sonuçlar göstermektedir.
- Yüksek seçicilik ve duyarlılık elde edilmiştir.
- Gerçek zamanlı tespit yetenekleri doğrulanmıştır.
- Yöntem, grafene zarar vermeden PMMA kalıntılarını etkili bir şekilde temizler.
Sonuçlar
- EGGFET biyosensörü, biyobelirteç tespiti için gelecek vadeden bir araçtır.
- Geleneksel biyosensörleme yöntemlerine göre çeşitli avantajlar sunar.
- Basit uygulaması sayesinde araştırmacılar için erişilebilirdir.
Sıkça Sorulan Sorular
Sektörel Uygulama Uygunluğu
Bu protokol, elektrolit kapılı grafen alan etkili transistörler (EGGFET'ler) kullanarak immünoglobulin G (IgG) biyobelirteçlerini tespit etmek için etiketsiz, gerçek zamanlı bir biyosensör geliştirilmesini sağlar. Bu yöntem, kan serumu gibi karmaşık biyolojik matrislerdeki biyomoleküler etkileşimleri izlemek için hassas ve tekrarlanabilir bir platform sunarak erken aşama hedef doğrulamasını destekler. Temiz grafen transferi ve etkili fonksiyonelleştirme sağlayarak bu yaklaşım, biyobelirteç tespit analizlerindeki öngörü güvenini artırır ve keşif süreçlerindeki devam/dur kararlarını kolaylaştırır.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Doğal biyolojik örneklerde IgG biyobelirteç etkileşimlerinin yüksek hassasiyet ve seçicilikle sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Analiz karmaşıklığını azaltan ve floresan veya enzimatik etiketleme ihtiyurunu ortadan kaldıran etiketsiz bir tespit yöntemi sağlar.
- Öngörücü Değer: Fizyolojik elektrolit koşulları altında bağlanma kinetiğinin ve afinitesinin gerçek zamanlı izlenmesine imkan vererek mekanistik risk azaltma süreçlerini destekler.
Tarama ve Assay Geliştirme
- Bilimsel Değer: Doz-yanıt analizine ve bağlanma spesifisite taramasına olanak tanıyan kantitatif, gerçek zamanlı elektriksel okumalar sağlar.
- Operasyonel Değer: Standartlaştırılmış grafen transferi ve PMMA kalıntı giderme işlemleriyle analiz tekrarlanabilirliğini sağlar ve partiler arası değişkenliği minimize eder.
- Ölçeklenebilirlik: Aptamerler veya antikorlarla gerçekleştirilen uyarlanabilir yüzey fonksiyonelleştirmesi aracılığıyla, platformun birden fazla biyobelirteç hedefi için yeniden kullanımını destekler.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Translasyonel Süreklilik: İnsan kan serumu gibi hastalıkla ilişkili örnek türlerinde IgG tespitine olanak tanıyarak, keşif ve preklinik validasyon arasında köprü kurar.
- Riskten Arındırılmış İlerleme: Preklinik aday seçimini ve analiz kalifikasyonunu bilgilendiren güvenilir biyobelirteç sinyal verileri üretir.
- Hastalıkla İlişkili Sistem: Klinik olarak ilgili matrislerde işlevselliği kanıtlayarak, tanısal ve terapötik izleme uygulamalarına ekstrapolasyonu destekler.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, erken keşif sürecine uyum sağlayarak hedef doğrulamadaki hipotez testlerini desteklemekte ve öncü bileşik belirleme aşamaları için ölçeklenebilir assay geliştirilmesine olanak tanımaktadır.
- Keşif Biyolojisi: Hedef bağlanmayı gerçek zamanlı olarak ve etiketsiz şekilde tespit ederek, biyomoleküler etkileşimlerin hipotez odaklı taramasını kolaylaştırır.
- Tarama: Antikor veya aptamer tabanlı analizlerde hit doğrulama ve seçicilik profilleme için uygun, standartlaştırılmış ve kantitatif çıktılar üretir.
- Analitik: Farklı koşullar ve analitler arasındaki bağlanma yanıtlarının karşılaştırılmasına olanak tanıyan elektriksel sinyal ölçümleri (örneğin, iletkenlik kaymaları) oluşturur.
- Translasyonel Araştırma: Doğal biyolojik sıvılarda biyobelirteç tespitini doğrulayarak preklinik çalışmalara geçişte sürekliliği destekler.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Modüler yüzey fonksiyonelleştirmesi aracılığıyla çeşitli biyobelirteçlere uyarlanabilen, yeniden kullanılabilir bir biyosensör platformu oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Karmaşık örneklerde IgG'nin hassas ve etiketsiz tespiti aracılığıyla hedef doğrulama güvenini artırır.
- Operasyonel Değer: Kafes bütünlüğünü koruyan kontrollü grafen transferi ve etkili temizleme protokolleri ile tekrarlanabilirliği geliştirir.
- Stratejik Değer: Keşif sürecinin erken aşamalarında gerçek zamanlı bağlanma verileri sağlayarak daha hızlı ve veri odaklı karar verme süreçlerini mümkün kılar.
- Portföy Etkisi: Nicelendirilebilir ve tekrarlanabilir analiz performansı temelinde biyobelirteç hedeflerinin risk ayarlı önceliklendirmesini destekler.
Uygulama Hususları
- Cihazın başarılı bir şekilde üretilmesi için mikrofabrication, fotolitografi ve grafen işleme konusunda uzmanlık gereklidir.
- Elektrot biriktirme ve desenleme işlemleri için elektron demeti buharlaştırıcılara, plazma aşındırıcılara ve spin kaplayıcılara erişime bağlıdır.
- Kullanıcılar ve laboratuvarlar arasında fonksiyonelleştirme ve bloklama adımlarının (örneğin, PBASE-IgG aptamer konjugasyonu, BSA bloklama) standartlaştırılmasını gerektirir.
- Platformun diğer biyobelirteçlere veya nanomalzeme arayüzlerine genişletilmesinde adaptasyon değerlendirmeleri gerektirir.
- Grafenin zarar görmesini önlemek için dikkatli plazma aşındırma ve sinyal doğruluğunu sağlamak için PMMA'nın tamamen temizlenmesi gerekliliği gibi pratik sınırlamaları içerir.
