Pengoptimuman penderia bio transistor kesan medan grafin pertumbuhan langsung untuk pengesanan DNA

Abstract

Penggunaan transistor kesan medan (FET) sebagai peranti pengujian titik penjagaan (POC) semakin mendapat perhatian dalam bidang diagnostik klinikal, khususnya sebagai kaedah pengesanan DNA untuk pengesanan awal penyakit tidak berjangkit (NCD) seperti Hiperkolestrolemia Famili (FH). Walau bagaimanapun, terdapat beberapa masalah dalam penghasilan peranti POC seperti proses fabrikasi peranti yang kompleks, proses pengesanan yang renyah dan rumit, dan kebolehpilihan dan kepekaan yang rendah. Oleh itu, pembangunan peranti penderia BioFET dengan fabrikasi yang mudah dan murah, yang boleh mengesan DNA secara POC dan mempunyai kepekaan dan kebolehpilihan yang tinggi menjadi objektif utama kajian ini. Grafin dipilih sebagai semikonduktor bagi peranti FET disebabkan oleh sifat grafin ambikutub yang memudahkan pemantauan perubahan cas dan sifat permukaan grafin yang mudah diintegrasi dengan pengecaman bio. Proses pembangunan peranti penderia bio grafin FET (GFET) dibahagikan kepada tiga fasa: (a) pengoptimuman geometri FET menggunakan perisian Ansys Lumerical, (b) pengoptimuman pertumbuhan langsung grafin menggunakan pemendapan wap kimia pada tekanan atmosfera (APCVD), dan (c) dan fabrikasi GFET sebagai penderia bio. Kaedah Taguchi digunakan sebagai reka bentuk eksperimen dalam proses pengoptimuman. Pemendapan kuprum (Cu) menggunakan kaedah percikan DC magnetron ke atas substrat silikon membentuk satu lapisan logam nipis menjadi pemangkin kepada pertumbuhan grafin. Hasil analisis Mikroskopik Daya Atomik (AFM) menunjukkan ketebalan lapisan Cu untuk pertumbuhan grafin adalah pada 45 – 50 nm. Morfologi pembentukan kepulauan logam Cu disebabkan proses nyahbasah selepas penyepuhlindapan dianalisis menggunakan Mikroskop Elektron Imbasan Pancaran Medan (FESEM). Analisis FESEM dan Mikroskopik Elektron Penghantar (TEM) menunjukkan pertumbuhan grafin yang optimum sebanyak 6 – 7 lapisan seiring dengan analisis Raman yang menunjukkan purata nilai nisbah I2D/IG = 0.19 dengan nilai purata lebar penuh pada setengah maksimum (FHWM) = 89.14. Nilai kecacatan yang rendah juga didapati dari analisis Raman dengan purata nilai nisbah ID/IG kurang dari 1. Fabrikasi peranti FET melibatkan pembentukan elektrod diatas grafin menggunakan topeng bayang dalam proses penyejatan terma menunjukkan hasil yang baik melalui analisis pengimejan optik dan pengukuran arus elektrik (I–V). Analisis Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR), Spektroskopi Fotoelektron sinar-X (XPS) dan pengukuran I-V menunjukkan kaedah penghubung bukan kovalen menggunakan pyrene-1-carbaldehyde merupakan kaedah paling sesuai bagi pengfungsian permukaan GFET yang membolehkan pemeliharaan struktur karbon sp2 grafin yang tinggi. Perubahan cas yang ketara pada graf lengkung peralihan I-V dapat diperhatikan pada nilai titik Dirac pada setiap proses pengfungsian dan imobilisasi prob pada permukaan GFET. Prestasi peranti GFET menunjukkan kecekapan tinggi dan dapat mencapai tahap pengesanan DNA serendah 1ng/mL dengan nilai kepekaan 138 pA (g/mL) pada kecerunan negatif. Prestasi kebolehpilihan peranti GFET juga tinggi dengan pengujian terhadap pelbagai jenis DNA sasaran yang menunjukkan anjakan positif bagi kedua-dua sampel iaitu 0.98 nA untuk DNA pelengkap dan 0.74 nA untuk rantaian DNA tak padanan. Sebaliknya, anjakan negatif dikesan sebanyak 0.63 nA untuk DNA bukan pelengkap. Kesimpulannya, grafin pertumbuhan langsung FET mempunyai potensi besar sebagai peranti pengesanan DNA secara POC dengan kebolehpilihan dan kepekaan yang tinggi.