CVD graphene for electrochemical biosensing : synthesis, characterisation and device fabrication

Abstract

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um biossensor onde o grafeno desempenha o papel do elemento transdutor. A revisão da literatura relativamente ao enquadramento do grafeno na área da biodeteção revelou a espetroscopia de impedância eletroquímica (EIS) como uma técnica de deteção viável. As amostras de grafeno foram sintetizadas em substratos de cobre, por deposição química em fase vapor, tendo sido posteriormente caracterizadas por espetroscopia de Raman, microscopia eletrónica de varrimento (SEM), microscopia ótica, EIS e voltametria de pulso diferencial (DPV). O processo de transferência do grafeno para substratos de Si/SiO2 foi otimizado de modo a preservar a qualidade das amostras e melhorar a sua reprodutibilidade. Para a modificação da superfície de grafeno necessária ao mecanismo de deteção, foram exploradas as abordagens de funcionalização covalente e não-covalente. Esta última, baseada na ligação dos elementos de bioreconhecimento (biotina e anti-gonadotrofina coriónica humana, hCG) aos grupos amina de pyrene butyric hydrazide (PBH) imobilizada na superfície do grafeno, foi estudada usando a espetroscopia de Raman, espetroscopia de fotoeletrões excitados por raios-X (XPS) e EIS. Por fim, os testes de deteção foram realizados através da avaliação das alterações nos espetros de EIS em resposta às diferentes concentrações do analito (avidina ou hCG). As amostras sintetizadas foram identificadas como sendo grafeno monocamada com ilhas de poucas camadas e mostraram uma atividade eletroquímica reduzida. Relativamente às estratégias de funcionalização, a covalente não foi bem-sucedida, ao contrário da não-covalente. Contudo, os esforços no sentido da otimização deste processo não foram suficientes para que se conseguisse atingir uma conclusão clara acerca da concentração ideal de PBH. As amostras biofuncionalizadas mostraram uma resposta inconclusiva face às diferentes concentrações do analito testadas.

This work describes the efforts undertaken towards the development of a biosensing device with graphene as a transducing element. A literature review was conducted in order to establish graphene’s role in the biosensing field, with electrochemical impedance measurements having been identified as a viable sensing approach. The graphene samples were synthesised by thermal chemical vapour deposition (TCVD) on Cu substrates and characterised using Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), optical microscopy, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Differential Pulse Voltammetry (DPV). Also, the transfer of the as-grown samples onto Si/SiO2 substrates was optimised. A functionalisation stage followed, with both covalent and non-covalent approaches having been explored. The latter, based on the attachment of the biorecognition elements (biotin and anti-human Chorionic Gonadotropin, hCG) to the amine groups of pyrene butyric hydrazide (PBH) immobilized on graphene’s surface, was studied using Raman spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and EIS. Lastly, sensing tests were conducted by evaluating the changes in EIS spectra in response to different concentrations of the analyte (either avidin or hCG). The as-grown samples were identified as being single-layer graphene with few-layer islands and showed reduced electrochemical activity. Concerning the functionalisation strategies, the covalent one was unsuccessful, while the non-covalent one was achieved. However, the efforts towards the optimisation of this process were not enough to reach a clear conclusion regarding the optimal concentration of PBH. The biofunctionalised samples did not show a clear response to the different analyte concentrations.