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

Die Methode entfernt effektiv PMMA-Rückstände unter Beibehaltung des zugrunde liegenden Graphengitters. Das funktionelle Gerät zeigt konsistente Ergebnisse beim Nachweis von IgG-Antikörpern im Blutserum. Außerdem stellt das Protokoll die Implementierung von CVD-Graphen in einem kennzeichnungsfreien Echtzeit-Biosensorgerät sicher.

Die Schritte sind ziemlich einfach und können mit minimalem Training durchgeführt werden. Das Gerät bietet eine hohe Selektivität, hohe Empfindlichkeit und Echtzeiterkennung gegenüber anderen Biosensorgeräten Beginnen Sie mit dem Schneiden der Graphenschicht auf einem Kupfersubstrat in zwei Hälften mit einem Skalpell. Tragen Sie hitzebeständiges Klebeband auf, um die vier Ecken des Graphenquadrats auf einer Spinnerdichtung zu befestigen.

Drehen Sie die quadratische Schicht des Graphens mit einer dünnen Schicht von 100 bis 200 Nanometern PMMA 495K A4, die sich 10 Sekunden lang mit 500 Umdrehungen pro Minute und dann 50 Sekunden lang mit 2.000 Umdrehungen pro Minute dreht. Dann backen Sie die Probe bei 150 Grad Celsius für fünf Minuten. Entfernen Sie die Rückseite des Graphens mit Sauerstoffplasma bei 30 Watt mit einem Ratenfluss von 15 Standardkubikzentimetern pro Minute für fünf Minuten.

Schneiden Sie das plasmabehandelte Graphenquadrat für die Geräteherstellung in eine Breite von einem Zentimeter und einer Höhe von zwei Zentimetern. Schneiden Sie das vorgereinigte Kieselsäuresubstrat in kleine Stücke mit einer Breite von etwa vier Zentimetern und einer Höhe von zwei Zentimetern. Ätzen Sie das Kupfer mit dem Graphenätzmittel Eisenchlorid ohne Verdünnung ab.

Schwimmen Sie die Probe mit der Kupferseite nach unten und der PMMA-Seite nach oben auf dem flüssigen Etchant. Nach dem Kupferätzen heben Sie den Graphenfilm langsam mit dem plasmabehandelten Substrat an. Trocknen Sie den übertragenen Graphenfilm zwei Stunden lang an der Luft und backen Sie ihn dann auf einer heißen Platte.

Um PMMA zu entfernen, beginnen Sie damit, die Probe mit Acetondampf bei 70 Grad Celsius aufzuwärmen, indem Sie die Probe vier Minuten lang etwa zwei Zentimeter über dem Acetondampf mit der PMMA-Seite nach unten halten. Tauchen Sie die Probe dann fünf Minuten lang in Aceton ein. Waschen Sie die Probe vorsichtig mit entionisiertem Wasser.

Zum Schluss die Probe vorsichtig mit Stickstoff einblasen. Waschen Sie das Substrat mit dem übertragenen Graphen mit Aceton, Isopropylalkohol und deionisiertem Wasser. Dann das Substrat auf einer heißen Platte bei 75 Grad Celsius für 30 Minuten backen.

Deponieren Sie mit einem Elektronenstrahlverdampfer Nickel und Gold mit einer Dicke von 5 bzw. 45 Nanometern auf der Graphenprobe. Wenden Sie das erste Photolithographieverfahren mit Maske A für die Strukturierung der Elektroden an. Drehen Sie den positiven Fotolack AZ 5214E mit 2.000 Umdrehungen pro Minute für 45 Sekunden auf die Probe und härten Sie die Probe bei 120 Grad Celsius für eine Minute aus.

Legen Sie die Probe in das ultraviolette Hochwasserexpositionssystem und belichten Sie sie für etwa 10 Sekunden unter 200 Millijoule pro Quadratzentimeter. Entwickeln Sie die Probe mit einem Fotolackentwickler AZ 300 MIF für ca. zwei Minuten und spülen Sie sie dann mit deionisiertem Wasser ab. Tauchen Sie die Probe in ein Goldätzmittel, um die Goldschicht für 10 Sekunden zu ätzen, spülen Sie sie mit entionisiertem Wasser ab und entfernen Sie die verbleibende Fotolackschicht, indem Sie 10 Minuten lang in Aceton eintauchen.

Waschen Sie die Probe mit Aceton, Isopropylalkohol und deionisiertem Wasser und backen Sie anschließend 30 Minuten lang auf einer heißen Platte bei 75 Grad Celsius. Wenden Sie dann den zweiten Photolithographieprozess mit Maske B an, um die Graphenkanäle zu strukturieren. Tauchen Sie die Probe bei 60 Grad Celsius in Nickelätzmittel, um die Nickelschicht 10 Sekunden lang zu ätzen.

Mit entionisiertem Wasser abspülen und mit Stickstoff föhnen. Legen Sie die Probe in den Plasma-Asher und entfernen Sie das exponierte Graphen mit Sauerstoffplasma. Entfernen Sie später die Fotolackschicht, indem Sie 10 Minuten lang in Aceton eintauchen.

Waschen Sie die Probe mit Aceton, IPA und entionisiertem Wasser und backen Sie sie 30 Minuten lang auf einer heißen Platte bei 75 Grad Celsius. Wenden Sie den dritten Photolithographieprozess mit Maske C an, um die Passivierungsfotolackschicht zu strukturieren, um das darunter liegende Graphen auf dem Substrat zu schützen. Verwenden Sie die gleichen Prozessparameter wie zuvor erwähnt, einschließlich des Spinnens mit positivem Fotolack, der Aushärtung der Probe und der Entwicklung mit dem Entwickler von Fotolacken.

Tauchen Sie die Probe später 10 Sekunden lang bei 60 Grad Celsius in Nickelätzmittel ein, um die verbleibende Nickelschicht zu entfernen, und spülen Sie sie dann mit deionisiertem Wasser ab und föhnen Sie sie mit Stickstoff. Zum Schluss backen Sie die Probe auf einer heißen Platte bei 120 Grad Celsius für 30 Minuten. Die repräsentativen Ergebnisse zeigen das übertragene CVD-Graphen, das durch Raman- und Rasterkraftmikroskopie gekennzeichnet ist.

Der G-Peak und die zweidimensionalen Peaks des Raman-Bildes geben umfassende Informationen über die Existenz und die Qualität des übertragenen Monolayer-Graphens. Die Abbildung zeigt einen EEG-FET-Biosensor, der mit einer Standard-Silber-in-Silberchlorid-Referenzelektrode und einer Polydimethylsiloxan-Vertiefung zur Aufnahme der Probe integriert ist. Darüber hinaus zeigt die vergrößerte Ansicht des Graphenkanals die Verbindung zur Quellelektrode zum Boden, zum Abfluss und zu den Gate-Elektroden zur Quelle.

PBASE, ein weit verbreitetes Funktionalisierungsreagenz für Graphen, kann auf der Graphenoberfläche durch eine Pi-Pi-Wechselwirkung absorbiert werden, ohne die elektrischen Eigenschaften von Graphen zu schädigen. Ein 5-prime-aminomodifiziertes IgG-Aptamer wird mit PBASE durch die Amidbindungsverbindungen zwischen dem reaktiven und dem Hydroxy-6-Zimt-Ester in PBASE und der Amingruppe am 5-Prime-Ende des IgG-Aptamers konjugiert. Die Inkubation von Rinderserumalbumin wurde verwendet, um die verbleibenden unkonjugierten Stellen nach dem Spülen des Geräts mit einstufigem PBS zu blockieren Die Abbildung zeigt die IgG-Detektion unter verschiedenen Elektrolytbedingungen.

Die Qualität des Graphens ist der Schlüssel zur besten Leistung dieses Geräts. Beim Plasmaätzen muss also sichergestellt werden, dass das Plasma die nützlichen Bereiche des Graphens nicht schädigt. Außerdem müssen die PMMA-Rückstände vollständig gereinigt werden, um eine saubere Graphenoberfläche zu erhalten.

Das funktionelle Gerät zeigt konsistente Ergebnisse beim Nachweis menschlicher IgG-Antikörper, so dass das Verfahren als Referenz verwendet werden kann, um Geräte mit anderen Nanomaterialien zu bauen, um Schnittstelleninteraktionen und Biosensorik zu untersuchen.