Функционализация графена / SiC для приложений определения группы крови

Функционализация графена / SiC для приложений определения группы крови

Ключевые слова: осаждение пленки графена, сублимация SiC, функционализация графена, биосенсор на основе графена, низкочастотный шум графенового чипа.

Аннотация. Обсуждается функционализация кристаллов графен / SiC нитрофенилом и его восстановление до фениламина. Графеновые пленки были сформированы на подложке SiC путем термического разложения поверхности подложки при 1800-2000 ° C. Процедура функционализации включала двухступенчатый электрохимический процесс, контролируемый циклической вольтамперометрией и сопротивлением кристалла. Функционализированные матрицы графен / SiC с нанесенными антителами были чувствительны к крови и потенциально могут применяться для быстрого определения типов крови.

Введение

SiC - это предпочтительный материал для формирования высококачественной графеновой пленки на большой площади без необходимости переноса, поскольку сам SiC является хорошим изолятором, а графеновая пленка может покрывать большую площадь. Графен привлекателен для фундаментальной физики, современных электронных устройств и датчиков. Для сенсорного применения химические вещества, подлежащие обнаружению, адсорбируются на поверхности графена и действуют как доноры или акцепторы электронов, что приводит к изменениям проводимости графенового канала. Изготовленный графен со связями гибридизации sp2 химически инертен и не может быть использован для присоединения биомолекулы, т.е. не может служить сенсором. Чтобы обеспечить чувствительность, функционализация графена обычно выполняется с использованием различных ковалентных и нековалентных подходов. Для применения биосенсора на функционализированный графен необходимо распределить антитело, специализированный иммунный белок. В процессе обнаружения молекулы белка химически прикрепляются к антителам и изменяют общее сопротивление графеновой матрицы.

В данной работе мы провели функционализацию графена путем ковалентного связывания нитрофенильной группы (C6H5NO2) с последующим ее восстановлением до фениламинной группы (C6H5NH2) электрохимическим методом. Преимущества этого метода функционализации заключаются в его простоте, избежании жестких химических реакций окисления и скорости реакции. Полноту процесса функционализации контролировали, отслеживая сопротивление кристалла графен / SiC за счет уменьшения тока во время электрохимического процесса.

Мы продемонстрировали, что функционализированная матрица графен-SiC обладает способностью распознавать кровь, что открывает путь для биосенсоров для обнаружения типов крови.

Образцы и методы эксперимента

В данной работе графеновые пленки формировались на подложках 4H-SiC путем термического разложения поверхности кремния (0001) в среде Ar при высокой температуре 1800-2000 ° C. Метод позволяет получать графеновые пленки высокого качества на произвольно больших площадях, что является важно для обработки графеновых чипов (штампов) для сенсорных приложений. Макеты кристаллов графен / SiC были выполнены на поверхности графена с помощью лазерной фотолитографии. Для удаления графенового слоя с непокрытых участков использовалось реактивное ионное травление в плазме аргона и кислорода. В качестве омических контактов использовалась металлизация Ti / Au (5 нм / 50 нм). После вырезания образца матрица графен / SiC размером 1,5 мм × 1,0 мм была собрана на керамическом держателе и скреплена проволокой Au.

Для функционализации графена был применен процесс циклической вольтамперометрии (CV), который включает присоединение нитрофенила к поверхности графена и его восстановление до фениламина. Все CV-эксперименты проводились с использованием потенциостата / гальваностата Elins P-20Х в обычной трехэлектродной ячейке с электродом сравнения Ag / Ag + (или Ag / AgCl), противоэлектродом из платиновой проволоки и кристаллом графен / SiC в качестве рабочего электрода. . Электролит на основе смеси ацетонитрила, TBATF (тетрафторбората тетрабутиламмония) и тетрафторбората 4-нитрофенилдиазония (4-NPD) был использован для связывания фенильной группы с графеном в первом CV-процессе. Во втором процессе CV кристалл графен / SiC был погружен в раствор 0,1 М KCl вода / этанол (9: 1) для восстановления нитрофенила до фениламина на поверхности графена. Исследование низкочастотного шума было применено, чтобы проверить, не нарушает ли процесс функционализации слаботочные пути в кристалле графен / SiC.