25th Anniversary Article: Label‐Free Electrical Biodetection Using Carbon Nanostructures

Balasubramanian, Kannan; Kern, Klaus

doi:10.1002/adma.201304912

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“…Interestingly, various atomic hybrid orbitals were observed, including sp, sp 2 , and sp 3 characteristics 1. Moreover, the anisotropy of crystal and other arrangements are dominated by that of sp 2 , giving rise to the innumerable characteristics.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Multidimensional Evolution of Carbon Structures Underpinned by Temperature‐Induced Intermediate of Chloride for Sodium‐Ion Batteries

et al. 2018

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Different dimensions of carbon materials with various features have captured numerous interests due to their applications on the tremendous fields. Restricted by the raw materials and devices, the controlling of their morphology is a major challenge. Utilizing the catalytic features of the intermediates from the low‐cost salts and polymerization of 0D carbon quantum dots (CQDs), 0D CQDs are expected to self‐assemble into 1/2/3D carbon structures with the assistance of temperature‐induced intermediates (e.g., ZnO, Ni, and Cu) from the salts (ZnCl2, NiCl2, and CuCl). The formation mechanisms are illustrated as follows: 1) the “orient induction” to evoke “vine style” growth mechanism of ZnO; 2) the “dissolution–precipitation” of Ni; and 3) the “surface adsorption self‐limited” of Cu. Subsequently, the degree of graphitization, interlayer distance, and special surface area are investigated in detail. 1D structure from 700 °C as anode displays a high Na‐storage capacity of 301.2 mAh g−1 at 0.1 A g−1 after 200 cycles and 107 mAh g−1 at 5.0 A g−1 after 5000 cycles. Quantitative kinetics analysis confirms the fundamentals of the enhanced rate capacity and the potential region of Na‐insertion/extraction. This elaborate work opens up an avenue toward the design of carbon with multidimensions and in‐depth understanding of their sodium‐storage features.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Multidimensional Evolution of Carbon Structures Underpinned by Temperature‐Induced Intermediate of Chloride for Sodium‐Ion Batteries

et al. 2018

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“…field-effect transistor | Debye screening | surface modification | DNA aptamer receptor | polyethylene glycol N anoelectronic biosensors offer broad capabilities for label-free high-sensitivity real-time detection of biological species that are important to both fundamental research and biomedical applications (1)(2)(3)(4)(5)(6). In particular, field-effect transistor (FET) biosensors configured from semiconducting nanowires (1,2), single-walled carbon nanotubes (1,3,4), and graphene (1,5,6) have been extensively investigated since the first report of real-time protein detection using silicon nanowire devices (7).…”

mentioning

confidence: 99%

“…In particular, field-effect transistor (FET) biosensors configured from semiconducting nanowires (1,2), single-walled carbon nanotubes (1,3,4), and graphene (1,5,6) have been extensively investigated since the first report of real-time protein detection using silicon nanowire devices (7). Subsequent studies have demonstrated highly sensitive and in some cases multiplexed detection of key analytes, including protein disease markers (8-10), nucleic acids (11)(12)(13), and viruses (14), as well as detection of protein-protein interactions (8,(15)(16)(17) and enzymatic activity (8).…”

mentioning

confidence: 99%

Specific detection of biomolecules in physiological solutions using graphene transistor biosensors

Gao

Yang

et al. 2016

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

223

236

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Nanomaterial-based field-effect transistor (FET) sensors are capable of label-free real-time chemical and biological detection with high sensitivity and spatial resolution, although direct measurements in high-ionic-strength physiological solutions remain challenging due to the Debye screening effect. Recently, we demonstrated a general strategy to overcome this challenge by incorporating a biomoleculepermeable polymer layer on the surface of silicon nanowire FET sensors. The permeable polymer layer can increase the effective screening length immediately adjacent to the device surface and thereby enable real-time detection of biomolecules in high-ionic-strength solutions. Here, we describe studies demonstrating both the generality of this concept and application to specific protein detection using graphene FET sensors. Concentration-dependent measurements made with polyethylene glycol (PEG)-modified graphene devices exhibited real-time reversible detection of prostate specific antigen (PSA) from 1 to 1,000 nM in 100 mM phosphate buffer. In addition, comodification of graphene devices with PEG and DNA aptamers yielded specific irreversible binding and detection of PSA in pH 7.4 1x PBS solutions, whereas control experiments with proteins that do not bind to the aptamer showed smaller reversible signals. In addition, the active aptamer receptor of the modified graphene devices could be regenerated to yield multiuse selective PSA sensing under physiological conditions. The current work presents an important concept toward the application of nanomaterial-based FET sensors for biochemical sensing in physiological environments and thus could lead to powerful tools for basic research and healthcare.field-effect transistor | Debye screening | surface modification | DNA aptamer receptor | polyethylene glycol N anoelectronic biosensors offer broad capabilities for label-free high-sensitivity real-time detection of biological species that are important to both fundamental research and biomedical applications (1-6). In particular, field-effect transistor (FET) biosensors configured from semiconducting nanowires (1, 2), single-walled carbon nanotubes (1, 3, 4), and graphene (1, 5, 6) have been extensively investigated since the first report of real-time protein detection using silicon nanowire devices (7). Subsequent studies have demonstrated highly sensitive and in some cases multiplexed detection of key analytes, including protein disease markers (8-10), nucleic acids (11-13), and viruses (14), as well as detection of protein-protein interactions (8,(15)(16)(17) and enzymatic activity (8).The success achieved with nanomaterial-based FET biosensors has been limited primarily to measurements in relatively low-ionicstrength nonphysiological solutions due to the Debye screening length (18,19). In short, the screening length in physiological solutions, <1 nm, reduces the field produced by charged macromolecules at the FET surface and thus makes real-time label-free detection difficult. The first method reported to overcome this ...

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“…b) Medidas de potencial de eletrodo do grafeno na ausência da BOx, na presença da enzima imobilizada no eletrodo em Ar saturado (linha pontilhada azul) e em O 2 saturado (linha sólida azul). c) A cronoamperometria do eletrodo de grafeno (em preto) e do eletrodo de grafeno com a enzima BOx imobilizada (em azul) mostra o comportamento da densidade de corrente após a injeção de gás oxigênio no meio eletrolítico e a estabilidade durante 40 Figura 29 -a) Curvas de polarização do bioânodo (em vermelho) e do biocátodo (em azul) em O 2 saturado na presença dos respectivos substratos (linhas sólidas) e na ausência dos substratos (linhas pontilhadas). Velocidade de varredura: 2 mV s -1 .…”

Section: Lista De Figurasunclassified

“…A obtenção de dispositivos portáteis é muito interessante do ponto de vista científico e tecnológico [38][39][40] . O desenvolvimento de estratégias que permitam a obtenção de sistemas miniaturizados, como os dispositivos em um único chip, vem acompanhados da necessidade de desenvolvimento de novas tecnologias 41,42 .…”

Section: Dispositivos On-chipunclassified

Biocélula a combustível <i>on-chip</i> utilizando folhas individuais de grafeno

Iost¹

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DedicatóriaReservo esse espaço valioso para dedicar esse trabalho a minha família, sem a qual o seu apoio esse caminho não seria possível. Aos meus pais Rui Alberto Iost e Ana Fátima Michelin Iost, a minha irmã Simone Michelin Iost Giovani pelo apoio em todas as etapas da minha vida.A minha família pela convivência, muito mais do que especial para mim. Aos primos com quem desfruto de ótimos momentos: Matheus Paiola, Lais Paiola e Rodrigo Pimenta,Cristiano Iost e Aline Picelli, Sandro Lourenço do Prado.Aos meus amigos da república com quem eu convivi e pude desfrutar de grandes alegrias e momentos de descontração, crescimento pessoal e experiências: Vitor Nunes, Antônio Roseli Sanches e a todos do grupo Paz e Harmonia, muito obrigado pelos conselhos e pela orientação. AgradecimentosAo prof. Dr. Frank Nelson Crespilho pela orientação não somente durante o meu doutoramento mas desde o início da minha carreira científica no grupo de Polímeros Prof.Bernhard Gross, no Instituto de Física de São Carlos. O apoio científico, as discussões e o acompanhamento de perto nos projetos de pesquisa tanto no Brasil quanto no exterior foram de extrema importância para a minha formação acadêmica.O meu muito obrigado à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelas bolsas concedidas de doutorado (2012/15442-6) e bolsa de estágio de pesquisa no exterior (BEPE, 2013/15433-0) e apoio financeiro para realização dos projetos de pesquisa.Ao Prof. Dr. Klaus Kern, professor da Ècole Politechnique na Suíça e diretor do Instituto Max Planck e ao orientador no exterior e líder de grupo Dr. Kannan Balasubramanian pela disposição, dedicação e pela oportunidade de trabalhar em um instituto de excelência em pesquisa na área de dispositivos eletrônicos. As reuniões e discussões foram uma bagagem única na minha formação como pesquisador. Muito obrigado pela oportunidade.Aos professores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) pela minha formação profissional, pela ajuda e conselhos em alguns momentos do curso que foram muito importantes para mim. "importante não é ver o que ninguém nunca viu, mas sim, pensar o que ninguém nunca pensou sobre algo que todo mundo vê" Arthur Schopenhauer ResumoA miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O 2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10 -3 cm 2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO 2 .Observou-se que o grafeno transferido par...

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25th Anniversary Article: Label‐Free Electrical Biodetection Using Carbon Nanostructures

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Multidimensional Evolution of Carbon Structures Underpinned by Temperature‐Induced Intermediate of Chloride for Sodium‐Ion Batteries

Multidimensional Evolution of Carbon Structures Underpinned by Temperature‐Induced Intermediate of Chloride for Sodium‐Ion Batteries

Specific detection of biomolecules in physiological solutions using graphene transistor biosensors

Biocélula a combustível <i>on-chip</i> utilizando folhas individuais de grafeno

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