Nanobiosensors based in graphene field effect transistors for biomarkers detection

Abstract

Ischemic stroke is one of the leading causes of dead and morbidity in the world. The only FDA (U.S. Food and Drug Administration) approved therapy for ischemic stroke victims is the thrombolytic therapy, which increases the risk of hemorrhagic transformation, i. e., the transformation of an ischemic stroke into a hemorrhagic one. A large number of proteins have been identified as predictive biomarkers of this event. Therefore, biosensing applications are at development to achieve fast, sensitive and specific detection of the identified blood biomarkers. Recently a new approach to graphene field effect transistors was proposed by Vieira et al., with polarization via electrolyte/solution, Electrolyte-Gated Graphene Field Effect Transistors (EG-GFETs). The developed architecture holds a concentric, in plane circular gate, allowing easy fabrication upscaling of the complete devices, and the transistor channel is exposed which is only possible due to the use of graphene as the channel material, since it is chemically very stable. The high sensitivity of graphene to electric charges and fields can thus be explored for biosensing applications, since changes in the electrolyte near graphene will translate into changes in the transistors electrical characteristics, in particular in the transfer curves. However, the problem for graphene is the lack of specificity, since the EG-GFETs will respond to any charged molecule present in the graphene neighbourhood, irrespectively of the chemical structure that contains it. This way, the proposed project aimed to functionalize graphene to create a specific detection interface for biosensing applications, in particular for the detection of ischemic stroke related biomarkers. The graphene functionalization was studied for the detection of one of the biomarkers that help predict hemorrhagic transformation, MMP-9 (Matrix Metalloproteinase 9). In a first phase of the project, it was used graphene on top of Si/SiO2 wafers. The functionalization strategy was studied, and a non-covalent functionalization of graphene was achieved by using a pyrene derivative. It was obtained a specific detection of MMP-9, with efficient blocking of the areas without antibodies. The studied strategy was then applied to EG-GFETs and the influence of the functionalization agents (buffer, biomolecules, …) on the transistors characteristics was studied. We found that the functionalization had no significant effect on the devices electrical characteristics. MMP-9 at different concentrations was then added to functionalized devices and the transfer curves showed an evident shift of the Dirac point to lower gate voltages, related with the MMP-9 detection by graphene. The successful functionalization of graphene with a target specific detection showed promising results from the electrical detection platform to future biosensing applications.

O AVC (acidente vascular cerebral) isquémico é uma das maiores causas de morte e incapacidade a longo prazo no mundo. No entanto, o tratamento dos pacientes com AVC isquémico é muito restrito, existindo apenas um tratamento clinicamente aprovado, a terapia trombolítica. No entanto, a aplicação desta terapia em pacientes com AVC isquémico aumenta o risco de transformação hemorrágica, ou seja, o AVC isquémico transforma-se num AVC hemorrágico. Nos últimos anos, um grande número de proteínas tem sido associado com o desenvolvimento da transformação hemorrágica, permitindo prever este acontecimento. Mas para que essas proteínas, biomarcadores, possam funcionar para a prevenção deste efeito é necessário desenvolver sistemas de deteção rápidos, sensíveis e específicos. Uma nova configuração de transístores de efeito de campo de grafeno polarizados via eletrólito/solução, os EGGFETs, foi desenvolvida recentemente. Esta nova arquitetura de transístores é completamente integrada no mesmo plano, com uma porta concêntrica e no plano do restante dispositivo, permitindo a produção em grande escala, e com o canal de grafeno exposto ao ambiente, o que só é possível devido à sua estabilidade química. Com o grafeno exposto, a sua elevada sensibilidade a cargas elétricas pode então ser explorada para aplicações em biossensores, uma vez que mudanças na composição do eletrólito junto do grafeno, serão traduzidas em alterações nas características elétricas dos transístores, nomeadamente nas curvas de transferência. No entanto, o grafeno apresenta falta de especificidade, provocando alterações no sinal dos EGGFETs na presença de qualquer carga elétrica, independentemente da sua estrutura química. Assim sendo, o que foi proposto neste projeto foi a funcionalização do grafeno para a criação de uma interface de deteção específica para aplicação a biossensores, em particular para a deteção de biomarcadores relacionados com o AVC isquémico/Transformação Hemorrágica. Foi então estudada a funcionalização de grafeno para a deteção de um dos biomarcadores preditores da transformação hemorrágica, MMP-9. Na primeira fase do projeto foram estudados substratos de grafeno. A estratégia de funcionalização foi estudada e conseguiu-se alcançar a funcionalização não-covalente do grafeno através do uso de um derivativo de pireno. Também se obteve a deteção específica de MMP-9, com um bloqueio eficiente das áreas sem anticorpos específicos. Esta estratégia foi então aplicada aos EG-GFETs e verificou-se que os agentes de funcionalização (buffer, biomoléculas, …) não afetava significativamente as suas características elétricas, mas que quando expostos ao biomarcador, MMP-9, em diferentes concentrações, havia um evidente desvio do ponto de Dirac para voltagens de gate mais baixas, desvio relacionado com a interação entre a MMP-9 e o grafeno. Foi alcançada a funcionalização do grafeno, com deteção especifica do biomarcador, e com resultados muito promissores relativamente aos EG-GFETs como uma futura plataforma deteção para biossensores.