Grafenové tranzistory pro biologické a chemické senzory
Úvod
Detekce a kvantifikace biomarkerů jsou nezbytné pro lékařskou diagnostiku, monitorování životního prostředí a biologický výzkum. V této oblasti dlouho převládaly opticky založené odečítací techniky využívající fluorescenční markery nebo techniky vyžadující pokročilé spektroskopické vybavení. Zatímco jiné obory využily nové technologie založené na pokroku v technologii polovodičových integrovaných obvodů, chemické a biologické senzory zůstaly závislé na biochemických testech kvůli problémům s dosažením citlivosti a selektivity u senzorů na bázi polovodičů. Byly vyvinuty snímače založené na křemíkových tranzistorech, ale tato zařízení trpěla nízkou citlivostí a selektivitou kvůli základním nedostatkům křemíkové struktury.
V poslední době nové elektronické snímače překonaly omezení současných křemíkových snímačů díky vývoji nízkorozměrových materiálů, nanodrátků, nanotrubiček a dvourozměrných (2D) filmů. Zatímco senzory založené na jednorozměrných (1D) strukturách, konkrétně uhlíkových nanotrubičkách (CNT), prokázaly vynikající citlivost a přinejmenším příslib selektivity, výroba zařízení z 1D struktur se ukázala jako obtížná. Grafen nabízí stejné výkonnostní možnosti jako 1D struktury spolu s výhodami práce s planární vrstvou.
Grafen
Grafen, první 2D atomární krystalický materiál, je monovrstva uhlíku uspořádaná do hexagonální mřížky. Andre Geim a Konstantin Novoselov získali v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku za průlomové experimenty s grafenem. Grafen má několik výjimečných materiálových vlastností, které jsou obzvláště vhodné pro senzorové aplikace, včetně elektrické vodivosti.1-3 Ideální pohyblivost grafenu se odhaduje na 200 000 cm2 V-1 s-1.4 Pro exfoliovaný grafen na SiO byly zaznamenány pohyblivosti 10 000-15 000 cm2 V-1 s-1 a pro grafen na SiO2 pokrytých křemíkovými destičkami,5,6 a horní hranice mezi 40 000-70 000 cm2 V-1 s-1.6,7 Grafen je velmi stabilní; skládá se z velmi krátkých, silných kovalentních vazeb, které jsou všechny v rovině vrstvy. Vodivost, stabilita, stejnoměrnost, složení a 2D povaha grafenu z něj činí vynikající materiál pro senzory, který překonává nedostatky křemíkových chemických a biologických senzorů.
GFET
Grafenový tranzistor (GFET) se skládá z grafenového kanálu mezi dvěma elektrodami s kontaktem hradla, který moduluje elektronickou odezvu kanálu (obrázek 1). Grafen je vystaven tak, aby umožňoval funkcionalizaci povrchu kanálu a navázání receptorových molekul na povrch kanálu. Povrch kanálu GFET je funkcionalizován navázáním receptorových molekul pro specifický cíl zájmu.
Obrázek 1.Grafenové tranzistory s polem (GFET). A) Čipy s 30 GFET. B) Struktura GFET.
Když se cílová molekula naváže na receptor na povrchu grafenu, redistribuce elektronického náboje vyvolá změnu elektrického pole v oblasti kanálu FET, což změní elektronickou vodivost v kanálu a celkovou odezvu zařízení (obrázky 2,3). Podobná zařízení se již léta vyrábějí s křemíkovými FET, ale dosahují omezené citlivosti a nízké selektivity. Grafen obecně s většinou materiálů nereaguje ani se s nimi neváže; protože se však skládá z uhlíku, existuje několik chemií, které umožňují funkcionalizaci prostřednictvím tvorby vazebných míst na povrchu, o nichž se dále pojednává v této části.
Obrázek 2.Stanice sondy pro záznam elektrických měření GFET
Obrázek 3.Odezva zařízení GFET v závislosti na napětí hradla.
Snímače GFET využívající 2D kanálový materiál mají oproti objemovým polovodičovým zařízením (včetně křemíku) několik výhod. U většiny polovodičových tranzistorových senzorů mají lokální změny elektrického pole na povrchu kanálu malý vliv hlouběji v kanálu zařízení, což omezuje citlivost odezvy. V případě GFET je grafenový kanál silný pouze jeden atom, což znamená, že celý kanál je efektivně na povrchu a přímo vystaven okolnímu prostředí. Jakákoli molekula připojená k povrchu kanálu ovlivňuje elektronický přenos v celé hloubce zařízení. Téměř atomárně tenký křemík nebo jiné objemové polovodiče nejsou účinné, protože při takové tloušťce převládají povrchové vady nad vlastnostmi materiálu. Dvourozměrné materiály, jako je grafen, nemají povrchové visící vazby, které by vytvářely defekty. V důsledku toho je grafen vysoce vodivý a citlivý na povrchové efekty. Kromě toho, protože materiál nemá visící vazby, eliminuje nespecifické vazby, a tím i falešně pozitivní výsledky, což byl problém u jiných senzorů založených na FET. Při správné funkcionalizaci umožňují GFET vysoce citlivou, vysoce selektivní, přímou a bezznačkovou detekci cílových analytů s plně elektronickým řízením a odečtem zařízení.
Senzory FET na bázi grafenu mají oproti zařízením vyrobeným z 1D materiálů, jako jsou uhlíkové nanotrubičky (CNT) a nanodrátky, výrazné výrobní výhody. Stejně jako grafen jsou i jednostěnné CNT vysoce vodivé (se správnou chiralitou) a efektivně celoplošné. Grafen lze vyrábět ve stejnoměrných vrstvách s jednotnými vlastnostmi materiálu. V současné době nelze 1D materiály vyrábět se stejnou konzistencí. Kromě toho nelze pomocí náhodně rozmístěných nanodrátků nebo nanotrubiček vyrábět pole zařízení s vysokou výtěžností a rovnoměrnou odezvou, protože počet a orientace 1D objektů se v rámci rozmístění liší. Tato nejednotnost polohy, často zhoršená nejednotností rozměrů mezi 1D objekty, vytváří velké rozdíly v charakteristikách odezvy mezi jednotlivými zařízeními. 2D materiály představují cestu k dosažení konzistence mezi jednotlivými zařízeními. Kromě toho lze rovnoměrné grafenové vrstvy v měřítku destiček vytvářet chemickou depozicí z par a tyto vrstvy jsou přizpůsobeny fotolitografickým výrobním technikám vyvinutým pro postupy výroby integrovaných obvodů vyvinuté polovodičovým průmyslem.
Výroba GFET
GFET se vyrábějí na křemíkových destičkách, aby se využily zavedené, levné a vysoce spolehlivé litografické, depoziční a integrační postupy průmyslu integrovaných obvodů. Pro tato zařízení byly grafenové vrstvy vytvořeny chemickou depozicí z par za atmosférického tlaku.8 Substrát pro depozici z měděné fólie byl vložen do pece a zahřát na 1 000 °C v redukčním prostředí argon/vodík, aby se odstranil veškerý nativní oxid na povrchu mědi. Do proudu plynu byl přidán malý tok metanu. Tvorba grafenu začíná několika nukleačními místy, po nichž následuje boční růst krystalů jednoatomového grafenu, až se domény setkají a zcela pokryjí povrch mědi. Metan se na povrchu mědi rozkládá a adsorbované atomy uhlíku putují po povrchu, dokud se nesetkají s krystaly grafenu a nepřidají se k nim. Souvislá jednoatomová vrstva grafenu (SLG) se vytvořila po krátké době růstu 5 až 30 minut, především v závislosti na poměru průtoku plynu.
Kovové elektrody byly naneseny na křemíkovou destičku tepelným odpařováním a vzorovány litograficky. Tenká vrstva titanu nebo chromu je nezbytná pro přilnavost k povrchu SiO2 . Elektronický kontakt s grafenem zajišťuje zlato nebo palladium. Grafenová vrstva byla přenesena z měděného depozičního substrátu a po vytvoření elektrod překryta na destičku. K provedení přenosu byl použit poly(methylmetakrylát) (PMMA, Prod. Č. 182230, 445746, a 182265) byl na grafenovou stranu měděného substrátu nanesen spincoated. Měď byla od PMMA/grafenu oddělena mechanickou separací pomocí elektrolýzy vody. Grafenová vrstva byla umístěna na povrch destičky, destička byla zapečena, aby se podpořila adheze grafenu k destičce a elektrodám, a PMMA byl odstraněn acetonem. Další fotolitografie byla použita pro vzorování grafenu do kanálků FET mezi elektrodami a k odstranění nechráněného grafenu byla účinná kyslíková plazma. Minimalizace kovových kontaminantů v grafenových vrstvách má zásadní význam pro integraci do zařízení na výrobu integrovaných obvodů. K dosažení tohoto cíle je nezbytné vyhnout se procesům, které odleptávají měděný substrát.
Funkcionalizace GFET
V posledních několika letech byla vyvinuta řada dobře kontrolovatelných postupů chemické funkcionalizace, které jsou kompatibilní s GFET. Grafenové FETy byly funkcionalizovány proteiny, chemickými sloučeninami a molekulami DNA za účelem výroby senzorů pro různé aplikace.
V případě funkcionalizace proteinů je nespecifická vazba proteinu nežádoucí, protože obvykle znamená ztrátu kontroly nad funkční strukturou proteinu.9 Skupina A. T. Charlieho Johnsona z Pensylvánské univerzity demonstrovala několik chemických způsobů připojení vhodných pro použití na grafenových zařízeních. Ty mohou být založeny na diazoniových sloučeninách, které vytvářejí kovalentní vazbu na povrch grafenu10 nebo na bifunkčních pyrenových sloučeninách, které interagují s grafenem prostřednictvím π-π stohovací interakce.10,11 Vazba na protein může být provedena prostřednictvím amidové vazby, která je povolena na vhodných aminoskupinách na vnější straně proteinu11 nebo prostřednictvím vazby kyseliny Ni-nitrilotrioctové na histidinovou značku na rekombinantním proteinu.12 V každém případě je třeba kontrolovat parametry chemie připojení (např, koncentrace, teplota, čas) umožňují provést funkcionalizaci při zachování kvalitních vlastností grafenového zařízení, které přispívají k vysoké citlivosti (zejména vysoká pohyblivost nosičů a příznivé šumové charakteristiky).
Aplikace v biosenzorech a chemických senzorech
Grafén'se díky svým výjimečným elektronickým a tepelným vlastnostem a vysokému poměru povrchu k objemu hodí zejména pro aplikace, jako jsou biosenzory,13,14 senzory plynů,15,16 a vysoce výkonné tranzistory.17-19 Zařízení na bázi grafenu by mohla umožnit rychlé vysoce citlivé senzory pro diagnostiku v místě zdravotní péče a detekci chemických látek a mají potenciál nahradit jiné metodiky, které jsou nákladné, málo citlivé a pracné.
Skupina A. T. Charlieho Johnsona předvedla senzor GFET pro detekci malých molekul v koncentracích pg/ml.14 GFET byly funkcionalizovány výpočetně navrženou ve vodě rozpustnou variantou lidského μ-opioidního receptoru (receptoru spřaženého s G proteinem) pomocí 4-karboxybenzendiazonium tetrafluoroborátu, čímž se na grafenu vytvořila místa s karboxylovou kyselinou, která byla dále aktivována a stabilizována 1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl] karbodiimid hydrochloridem (Prod. No. 03449 a Prod. No. E7750)/sulfo-N-hydroxysukcinimid (EDC/sNHS).20 Elektronická měření proudu source-drain v závislosti na napětí back-gate po každém kroku funkcionalizačního postupu ukázala reprodukovatelné posuny ve vodivosti. Detekce cílového μ-opioidního receptoru naltrexonu (antagonista opioidních receptorů, Prod. No. 1453504) byl zaznamenán při koncentracích již od 10 pg/ml s vysokou specifitou14. Studie využívající upravený jednořetězcový variabilní fragment (scFv) místo plných protilátek jako receptorové molekuly na jiných senzorech FET na bázi uhlíku ukázaly 1000× lepší detekční limit.21 scFv je upravený fúzní protein obsahující variabilní oblasti protilátky, které jsou specifické pro antigen a zachovávají si specifitu původní protilátky navzdory odstranění konstantních oblastí, které tvoří většinu protilátky. Lepší citlivost senzorů FET funkcionalizovaných pomocí scFvs lze přičíst větší blízkosti navázaného cíle biomarkeru ke kanálu GFET, což vede k silnějším elektrostatickým interakcím a většímu elektrickému signálu.21
Další aplikací, která využívá GFET, je snímání chemických par, neboli snímání par "jako z nosu". Za tímto účelem byly GFET funkcionalizovány jednovláknovou DNA pro detekci různých chemických par. Chemické senzory na bázi GFET vykazovaly rychlou dobu odezvy, rychlé zotavení na základní hodnotu při pokojové teplotě a rozlišování mezi několika podobnými analyty par: např. dimethylmethylfosfonát (DMMP, Prod. No. D169102) a kyseliny propionové (Prod. No. 402907).16
Závěry a výhled do budoucna
Výjimečné elektronické vlastnosti grafenu jsou i nadále velkým příslibem pro senzorické aplikace. Senzory na bázi GFET pro biologické a chemické aplikace by umožnily rychlé, citlivé, specifické, levné a plně elektronické snímání. Senzory GFET lze navíc multiplexovat, což umožňuje rychlé testování více cílů (desítky až tisíce) s vysokou citlivostí na jediném čipu malých rozměrů. Technologie senzorů GFET bude mít potenciál narušit zdravotnictví, objevování léčiv a trhy s detekcí chemických látek.