Graphene-based devices for biological sensing

Abstract

Tämän Pro gradu -tutkielman tavoitteena oli tutkia grafeenin käyttöä biologisessa havainnoinnissa. Tutkielman teoreettinen osio aloitettiin lyhyella katsauksella grafeenin fysikaalisista ominaisuuksista. Osiossa esiteltiiny lyhyesti kaksi erilaista mittausasetelmaa: kanavatransistori ja usean elektrodin asetelma. Teoreettinen osio päätettiin esittelemällä kanavatransistorien käyttöä biologisten molekyylien ja elektrogeenisten solujen havainnoinnissa, sekä niiden hyödyntämistä neurobiologiassa. Kokeellisessa osiosa tutkittiin grafeenin kykyä sammuttaa fluoresenssia päällystämällä se biotinyloidulla naudan seerumin albumiinilla (engl. bovine serum albumin), jonka biotiineihin kiinnitettiin avidiinia, johon oli kovalenttisesti sidottu väriainetta (fluoresiini isotiosyanaatti). Avidiini on proteiini, joka sitoutuu tiukasti biotiiniin. Molemmilla tutkituilla grafeenialueilla oli ruudukko kaksifotonihapetettua grafeenioksidia, joista eri ruutuja oli säteilytetty eri parametrien mukaisesti. Lisäksi eri alueilla sijaitsevilla ruuduilla oli eri leveydet. Osio pohjustettiin teoreettisella katsauksella mittaustekniikoista, naudan seerumin albumiinin kiinnittymisestä pintoihin, ja fluoresenssin sammumisesta sekä yleisesti että grafeenin tapauksessa. Näytettä tutkittiin ennen proteiinilla päällystämistä ja sen jälkeen optisella mikroskopialla, atomivoimamikroskopialla ja Raman-spektroskopialla. Proteiinilla päällystämisen jälkeen näytettä tutkittiin myös fluoresenssin elinaika -mikroskopialla. Grafeenin integroitujen D- ja G-piikkien suhdetta (I(D)/I(G)) pidettiin materiaalin epäjärjestyksen mittarina. Sen havaittiin kasvavan säteilytysparametrien, laserpulssin energian ja säteilytysajan, kasvaessa. I(D)/I(G) kasvaessa hapetettujen neliöiden korkeuden havaittiin kasvavan, odotusten mukaisesti, mutta myös säteilytetyn pinta-alan havaittiin vaikuttavan niiden korkeuteen. Fluoresenssin keskiarvoisen elinajan havaittiin riippuvan suoraan hapetetun neliön korkeudesta, ja Pearsonin R -arvo 0,95 saavutettiin molempien ruudukkojen lineaarisille sovituksille. Sovituksien kulmakertoimien ja leikkauspisteiden havaittiin eroavan merkittävästi keskenään, mikä viittaa neliöiden pinta-alan vaikutukseen. Tilanne neliöiden pinnalla vastaa todennäköisesti monien eri elinaikojen jakaumaa, joka aiheutuu väriainemolekyylien monista eri asennoista ja etäisyyksistä grafeenin pinnasta. Kaksi lineaarisesti käyttäytyvää elinaikakomponenttia pystyttiin erittelemään, mutta kolmas komponentti on ylisovittava.

The aim of this Master’s thesis was to study the application of graphene in biological sensing. The theoretical section is set up with a short overview of the basic physical properties of graphene. Two different measurement configurations, field effect transistor and multielectrode array, are discussed briefly. The remaining section covers the detection of different biological molecules and electrogenic cells using the transistor setup, and application of these devices in neurobiology. In the experimental section, fluorescence quenching properties of graphene were studied by coating the material with biotinylated bovine serum albumin, which had a dye molecule (fluorescein isothiocyanate) bound to it via avidin. Avidin is a protein which binds strongly to biotin. The studied areas of graphene contained two grids of two-photon oxidized graphene squares: different squares having different irradiation parameters, and different grids having squares of differing width. The section begins with a theoretical review of the measurement techniques, surface adsorption of bovine serum albumin, and fluorescence quenching in general as well as in the case of graphene. The sample was studied before and after protein functionalization by optical microscopy, atomic force microscopy and Raman spectroscopy, and by fluorescence lifetime imaging microscopy after protein functionalization. The ratio of graphene’s integrated D and G bands (I(D)/I(G)) is used as a measure of disorder in the material. I(D/)I(G) was found to depend somewhat linearly on irradiation parameters, laser pulse energy and irradiation time. The height of the oxidized squares was found to increase nonlinearly as I(D)/I(G) did, as expected, but it was also noted to be affected by the size of the irradiated area. The average fluorescence lifetime was found to be linearly dependent on the square height, and Pearson's R value 0.95 for measurements on both grids were achieved. The interception and slope values of the fits were largely different, implying that the square area has an effect on the behavior. The situation at hand is most likely a distribution of lifetimes, brought up by the dye molecules residing at many varying distances from the graphene. Two linearly behaving lifetimes could also be extracted, but a third one is filling the fit with barely a sign of determinism, indicating overfitting.