JP7291112B2 - グラフェン系マルチモーダルセンサー - Google Patents
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Description
本出願は、「Graphene-based Multi-Modal Sensor
s」の名称で2015年10月7日に出願された米国仮特許出願第62/238,489
号明細書および「Graphene-based Multi-Modal Senso
rs」の名称で2015年10月7日に出願された米国仮特許出願第62/238,49
5号明細書の優先日の利益を主張する。これらの仮出願の全内容は、本明細書に、参照に
より組み込まれる。
つ伸張可能であり、導電性かつ透明であり、大面積での成長および多くの基板への転写に
適しており、その結晶粒は、1cmに達する寸法におよび得る。
電気的な応答を発生することができるだけでなく、ラマン分光法による局所的な化学的環
境を評価する表面増強ラマン散乱(SERS)の基板としての役割を果たすことができる
。
ジ率が約700)、0.001%のひずみ~10%を上回るひずみの有効範囲、および良
好なサイクル性を有する、ひずみセンサーに関する。
イバーの先端上に堆積したグラフェン支持SERS基板も含む。
胞の収縮を測定する、最初の実証を提供する。センサー基板上に心筋細胞を培養すること
により、本明細書に開示するセンサーおよび方法を使用して、自発的および刺激による心
筋細胞の収縮を、記録および分析することが可能である。本明細書に開示するひずみセン
サーは、構造ヘルスモニタリング(土木工学、航空学)、バイオメトリクスの取得(心拍
数、動き検出)、地下水汚染の試験、インビボの生化学分析(光ファイバーカテーテル法
)および創薬(新規薬物のスクリーニング、心臓毒性の研究)のために使用することもで
きる。
とって所望の形態を決定するステップ、決定に基づいて、第1の金属基板を選択するステ
ップ、第1の金属基板上にグラフェン層を転写するステップ、グラフェン層上に金属層を
堆積させて所望の形態を得るステップ、ならびに、グラフェンおよび堆積させた金属層か
ら第1の金属基板を除去して、複合膜構造物を形成するステップを含む。第1の金属基板
と堆積させた金属層の間の表面エネルギーの相違が、金属層の所望の形態をもたらす。
イランドを含むことができる。金属層中のナノアイランドの縁部の間の間隔は、分子寸法
のオーダーであり得る。金属層を堆積させるステップは、金属原子の蒸着フラックスの堆
積を含むことができる。金属原子の蒸着フラックスは自己集合して、所望の形態を得るこ
とができる。金属原子の蒸着フラックスは、電子ビーム蒸着、熱蒸着またはスパッタリン
グにより生成することができる。第1の金属基板上にグラフェン層を転写するステップは
、第2の金属基板上に成長させたグラフェンを剥離すること、および第1の金属基板上に
グラフェン層を配置することを含むことができる。グラフェンは、単層のグラフェンを含
むことができる。グラフェンは、化学蒸着を使用して第2の金属基板上に成長させること
ができる。第1の金属基板は、遷移金属を含むことができる。遷移金属は、金、銀または
ニッケルを含むことができる。
ための基板を形成する方法は、第1の金属基板上にグラフェン層を堆積させるステップ、
グラフェン層上に複数の金属ナノアイランドを堆積させるステップ、グラフェンおよび堆
積させた複数の金属ナノアイランドから、第1の金属基板を除去して、表面増強ラマン散
乱のための基板を形成するステップを含むことができる。被験物質の表面増強ラマン散乱
を行う方法は、表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ、光ファイバー上に
、基板を転写するステップ、基板上の被験物質を被覆するステップ、および被験物質から
の表面増強ラマン散乱のシグナルを記録するステップを含むことができる。複数の金属ナ
ノアイランドは、プラズモン的に活性な金属を含むことができる。プラズモン的に活性な
金属は、銅、銀、パラジウム、金または白金のナノアイランドを含むことができる。
ェン層を堆積させるステップ、グラフェン層上に金属層を堆積させるステップ、グラフェ
ン層および金属層上にポリマーを適用するステップ、および第1の金属基板をエッチング
して、4桁にわたるひずみを検出することができるひずみセンサーを形成するステップを
含む。
を含むことができ、第1の金属基板は、銅を含み、ポリマーは、ポリジメチルシロキサン
を含む。
接触させること、および複合膜構造物を使用して、力学的運動により引き起こされる電気
的シグナルを測定することを含む。複合膜構造物は、グラフェン層上に堆積させた金属層
、ならびにグラフェン層および金属層上のポリマー層を含む。
要素を含むことができ、力学的運動は、航空機の構成要素の屈曲を含むことができる。力
学的運動の検出は、構造物中の亀裂の検出を含むことができる。試料は、生体試料を含む
ことができ、複合膜構造物は、身体の外側で使用される。生体試料は、器官を含むことが
でき、器官は、周囲空気との接触面を有する。力学的運動は、生理学的情報を伝達するこ
とができる。生理学的情報は、心拍数、脈圧、筋肉の動き、呼吸のうち1つまたは複数を
含むことができる。身体は、ヒトの身体の一部であり、ヒトの身体の一部は、周囲空気と
の接触面を有する。力学的運動は、生理学的情報を伝達することができる。生理学的情報
は、心拍数、脈圧、筋肉の動きおよび呼吸のうち1つまたは複数を含むことができる。複
合膜構造物は、皮膚または衣服へのウェアラブルセンサーの一部であり得る。ウェアラブ
ルセンサーは、触覚への適用のために使用することができる。ウェアラブルセンサーは、
機器を備えたプロテーゼにおいて使用することができる。
造物は、ヘルスケア適用において使用することができる。
せることができ、ポリマーは、グラフェン層および金属層上に適用することができる。
とをさらに含むことができる。
て試料を複合膜構造物で被覆することを含むことができる。
のうち1つまたは複数を含む。金属層は、金ナノアイランドを含み、ポリマーは、ポリメ
チルメタクリレートを含む。
ドを含み、複数のナノアイランド中のナノアイランドの縁部の間の間隔は、分子寸法のオ
ーダーである。基板は、表面増強ラマン散乱のために構成することができる。
グラフェンを含み、複数の金属ナノアイランドは、金ナノアイランドを含む。
びにグラフェン層および金属層上のポリマーを含む。ひずみセンサーのピエゾ抵抗は、4
桁にわたるひずみを検出することを可能にし得る。
を含むことができ、第1の金属基板は、銅を含むことができ、ポリマーは、ポリジメチル
シロキサンを含むことができる。グラフェン層は、金属層を通じた亀裂伝搬を抑制するよ
うに構成することができる。ひずみセンサーの1%のひずみでのゲージ率は、少なくとも
1300であり得る。
体試料上に転写することにより、生体試料を複合膜構造物で被覆することを含む。本方法
は、複合膜構造物を使用して、力学的運動により引き起こされる電気的シグナルを測定す
ることを含む。複合膜構造物は、グラフェン層上に堆積させた金属層、ならびにグラフェ
ン層および金属層上のポリマー層を含み、生体試料は、設計され、培養され、もしくは採
取された、細胞または組織、および/あるいは内部器官を含む。
を含み、培養細胞は、心筋細胞、ニューロン、筋細胞および上皮細胞のうち1つまたは複
数を含む。生体試料は、培養組織を含む。培養組織は、筋細胞を含む。生体試料は、内部
器官を含む。内部器官は、心臓を含む。グラフェン層は、金属層が、グラフェン層上に堆
積する前に、第1の金属基板上に堆積させる。ポリマーは、グラフェン層および金属層上
に適用される。本方法は、生体試料を複合膜構造物で被覆する前に、第1の金属基板をエ
ッチングすることを含む。第1の金属基板は、遷移金属を含む。金属層は、金ナノアイラ
ンドを含み、ポリマーは、ポリメチルメタクリレートを含む。
バー、生体試料が上に配置された複合膜構造物を含み、複合膜構造物は、グラフェン層と
接触している金属層、金属層またはグラフェン層のいずれかと接触しているポリマー層を
有する。システムは、複合膜構造物に電気的にアクセスするための電気的接続を含む。シ
ステムは、チャンバー内の中央開口部を含み、中央開口部は、複合膜構造物上に配置され
た生体試料を受け取るように構成される。生体試料は、培養細胞または組織を含む。金属
層は、複数の金属ナノアイランドを含む。
と接触しており、生体試料は、グラフェン層上に直接成長する。ポリマー層は、グラフェ
ン層と接触しており、生体試料は、金属層上に直接成長する。ポリマー層は、透明なポリ
マーを含む。透明なポリマーは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリメチルメタ
クリレート(PMMA)およびパリレンのうち1つまたは複数を含む。グラフェン層は、
単層グラフェンを含み、培養細胞は、基板上に培養された心筋細胞を含む。複数の金属ナ
ノアイランドは、プラズモン的に活性な金属を含む。プラズモン的に活性な金属は、金ナ
ノアイランドを含み、電気的接続は、電極を含む。複合膜構造物は、培養細胞の収縮活動
に起因するひずみに基づく電気的シグナルを発生させるように構成される。システムは、
培養細胞を有する複合膜構造物を挟み込むように構成された基板の第2のペアを含む。複
合膜構造物は、40を超えるシグナル対ノイズ比を有するシグナルを発生させるように構
成される。複合膜構造物は、サブミリ秒の応答時間を示す。システムは、培養細胞の力学
的運動の振幅および時間的プロファイルを提供するように構成される。システムは、培養
細胞の活動に関連する電気インピーダンスプロファイルを提供するように構成される。シ
ステムは、複数の電極を含み、第1の電極は、培養細胞の片側に位置し、第2の電極は、
培養細胞の逆側に位置する。システムは、時間分解法で、高速の電流-電圧シグナルを記
録することができる増幅器をさらに含む。システムは、培養細胞の活動に起因する細胞膜
電位プロファイルを提供するように構成される。システムは、複数の金属ナノアイランド
中の金属ナノアイランドの間の間隔の変化の光学的観測により、細胞の収縮性のプロファ
イルを提供するように構成される。金属ナノアイランドの間の間隔の変化は、光学的観測
のように使用される可視光の波長を変化させるように構成される。システムは、暗視野顕
微鏡データを提供するように構成される。システムは、培養細胞からラマン散乱データを
提供するように構成される。
説明する。本発明の他の特徴、目的および利点は、明細書および図面、ならびに特許請求
の範囲から明らかになるであろう。
これは、物理的な自己集合のプロセスとして理解することができる。すなわち、PVDに
おける堆積チャンバー内で生成された金属原子の蒸着フラックスは、基板上に堆積した薄
膜になることができ、薄膜の構造は、圧力、温度および堆積の速度と連動した、金属およ
び基板の複合関数である。ガラス、ポリマーフィルムなどの典型的な基板、ケイ素、窒化
ホウ素および炭化ケイ素などの単結晶基板などにおける低い呼び厚さ(例えば、<50n
m)で、最も頻繁に生成される形態は、分離したアイランドである。一般に、アイランド
は、単離された膜の領域に存在する。この形態は、一般に、薄膜の電子機器に適合すると
は見なされない。しかしながら、アイランドが、再現可能に、任意の他の表面に容易に転
写することを可能にする支持体上に生成させることができるならば、これらのアイランド
の様々な特徴を活用することができる用途がある。
ーの取り込み)は、蒸着によりグラフェン上に堆積した金属薄膜(例えば、≦20nm、
≦10nm)の形態を、グラフェンを支持する基板の同一性に基づいて、変更することを
可能にする。例えば、形態は、グラフェンを支持する基板に強く依存し得る。
く充填されたナノスフェア、十分な面を持つナノ結晶、および3nmまで、または約2Å
~数ナノメートルの間のような分子寸法のオーダーで制御可能な間隙を有するアイランド
様の形成。隙間のない充填は、最大数のすぐそばの隣接物を有するナノ粒子の単分子層を
指し得る。ナノスフェアは、球状の形状をとる、ナノアイランドの1種である。
散乱(SERS)のための基板として(例えば、光ファイバーの先端上を含む)、ならび
に構造ヘルスモニタリング、電子皮膚、および細胞、例えば、心筋細胞における収縮の測
定における適用のために広い有効範囲(例えば、少なくとも4桁のひずみ)の超高感度の
機械的シグナル変換器として、機能し得る。したがって、これらの金属およびグラフェン
の複合膜構造物は、マルチモーダルセンシングのためのプラットフォーム技術として、扱
うことができる。
ービン翼などでの亀裂伝搬のモニタリングを含むことができる。電子皮膚は、皮膚に装着
可能で、皮膚の機械的性質に類似の機械的性質を有する、表皮センサーを指す。これらの
センサーは、例えば、接触、温度および近接を感知することができる。
半透明であり、広い面積にわたって再現可能な製造のための可能性を有する。また、半透
明であるので、これらのセンサーは戦闘機のヘッドアップディスプレイ(HUD)の窓ガ
ラス上に設置することができる。半透明性は、顕微鏡下、センサーにより、細胞(または
他の試料)の画像化も可能にする。
特徴を有する。これは、可撓性で(かつ、金属膜と比較して、5~6%のひずみへと伸張
可能である)、導電性かつ透明であり、大面積での成長および多くの基板への転写に適し
ており、その結晶粒は、1cmに達する寸法におよび得る。
ある。湿潤透明性は、主に、液体に関して、以前に検討されており、接触角などの大きさ
は、グラフェンを支持する層または基板の表面エネルギーに強く依存し得る。
されることを実証する。金属/グラフェンの2層構造物または金属/グラフェンの複合膜
構造物は、電子ビーム(eビーム)蒸着による、多様で制御可能な形態のナノ粒子である
、ナノスフェア、ナノ結晶およびパーコレーションされたネットワークの自己集合のため
の鋳型として働くことができる。図1は、この概念、ならびに、他の全てのパラメーター
を一定に維持しながら、蒸着させた金属(金および銀)および基板のみを変更した場合に
(銅、ニッケル、金および銀)、得られる形態の範囲を説明する。これらのグラフェン/
ナノアイランド(NI)膜は、ほぼあらゆる表面に転写するために十分なロバスト性を示
した。膜は、それらを化学的、光学的および機械的刺激のセンシングに適するようにする
、分子寸法に近い、鋭い先端および間隙(すなわち、ナノアイランドの縁部の間の間隔)
によっても特徴付けられる。
単層グラフェン上に、自己集合することができる。他の金属(金、銀およびニッケル)上
に銅からグラフェンを転写するために、金属補助剥離(metal-assisted exfoliation、M
AE)を使用することができる。
、10nm)金属膜(例えば、金、銀またはパラジウム)の単独での同時堆積において、
見かけの結晶化度、得られたナノアイランドの形状およびサイズ分布、パーコレーション
の程度、ならびにアイランド間の間隙のサイズは、それぞれの基板について異なり得る。
パーコレーションの程度は、アイランド間の連結性の量である。
ルギーおよび結晶方位に直接依存し得る。得られた形態は、蒸着させた金属の特徴、例え
ば、その表面エネルギーおよびグラフェンとの格子ミスマッチ(図1の下側に示す)、グ
ラフェン層の数(図S3に示す)、ならびに堆積の速度(図S4に示す)および量、基板
の温度(図S5に示す)などの処理パラメーター、堆積後の熱アニーリング(図S6に示
す)および最終的な受け取り基板への転写(図S7に示す)にも依存し得る。
ピタキシャル成長のために発達するものと類似の規則に従い得る成長を示唆する。一般に
、膜成長のための3つの主要な様式は、2つの要素(例えば、蒸着物および金属基板)の
系中に存在し得る:層ごと(Frank-Van der Merve)、層/アイラン
ド(Stranski-Krastanov)および厳密なアイランド(Volmer-
Weber)。
ギーにより、主に決定される。より大きな格子ミスマッチは、アイランドの成長に有利で
あるが、正の表面エネルギーの相違である、(γ基板-γ膜)/γ基板は、層ごとの成長
に有利である。したがって、蒸着物および基板の間にグラフェンを挿入することにより、
基板金属の変更による表面エネルギーの調節が可能になり、ある程度のグラフェンの湿潤
透明性が推測された。蒸着物およびグラフェンの間の格子ミスマッチは、実質的に固定す
ることができる(グラフェンにおける基板が誘導するひずみに起因する、ミスマッチ値の
±0.5%)。格子ミスマッチは、2つの材料の1つ(例えば、基板)の周期的な原子間
距離で割った、それらの材料の(結晶質の材料における)周期的な原子間距離の間の算術
差である。
動するために、克服しなければならないエネルギーの量である。金のEdは、0.05±
0.01eVである。グラフェン上の金および銀の非常に低い拡散障壁および低速での堆
積を考慮すると(速度論的とは対照的に、熱力学的な制御と一致する)、グラフェンを有
する系は、アイランドの成長様式に偏向しているが、依然として、モデルと非常に良く相
関する(図S8に示す)。第1の生成物(例えば、生成物A)が、第2の生成物(例えば
、生成物B)より早く形成する場合、生成物Aの活性化エネルギーは、生成物Bがより安
定であったとしても、生成物Bの活性化エネルギーより低いので、したがって、生成物A
は、速度論的制御の下で有利な生成物であり、生成物Bは、熱力学的生成物であって、熱
力学的制御の下で有利である。
原子のアニーリングは、ナノアイランド形成のメカニズムを明らかにするために行うこと
ができる。正確な原子間ポテンシャルは、銅/グラフェン/金に対して可能であり、その
ような構造の実験的な製造は、最小限のステップ数で達成することができる。
セル(約240,000原子)上への5層の金の単分子層(約30,000原子)の堆積
を、検討した。シミュレーションされた堆積速度は、実験の速度(1層あたり30秒)よ
り約9桁速く、図2aに示すように、速度論的に制御された、シミュレーションされた堆
積において、最初の形態を生成した。
金の単分子層)の熱アニーリングのシミュレーションを、実験と比較するために、熱力学
的に制御された形態を発生させるために行った。図2bは、アニーリング中の金の全表面
積の減少を示す。最初の15ナノ秒中、アイランドの融合が生じ、金の正味の表面積の減
少により分かるように、その後、アイランド形態の変化の速度は減少した。この観測は、
シミュレーションされた堆積プロセスが、実際に、短い(ナノ秒)時間スケールにわたっ
て凝集した、速度論的に捕捉されたクラスターを発生させることを示唆した。図2aおよ
び2bにおけるシミュレーションにより予測される形態は、図2cにおける1nmの金の
堆積について、実験的に検証された。実験がシミュレーション後に行われたこと、および
シミュレーションに使用されたパラメーターを、実験に適合するように調整しなかったこ
とを考慮すると、シミュレーションされた形態および実験の形態の間の類似点は著しい。
、化学的および機械的センシングにおける適用を可能にし得る。
用される。プラズモン周波数ωpの周波数と共鳴する周波数を有する放射線の照射の際の
金属ナノ構造体間の間隙における電界の大きな増加は、ラマン散乱を増強し、ナノ構造の
周辺の分子の無標識での同定を可能にする。プラズモン周波数は、フィルムを構成する材
料に加えて、粒子の幾何形状の関数でもあり得る。ナノ構造は、例えば、基板上へのスパ
ッタリングにより、貴金属の膜中に提供され、溶液/空気の界面から膜へ自己集合し、例
えば、固体膜の外側でパターン形成された、Langmuir-Blodgett膜とし
て調製される。
能にし得る。リモートセンシングは、分析装置から物理的に取り除かれた化学的環境のセ
ンシングを含むことができる。例えば、分析のために試料を抽出する必要なく、リアルタ
イムで、地下100フィートの深さの水圧破砕に起因する水の汚染を感知するために、1
00フィートの光ファイバーを使用する。
T)の単分子層が、グラフェン/AuNI膜中のAuNIにより形成される表面構造上に
堆積する前に、光ファイバーの先端上に転写することができる(図3aおよび3bに示す
)。大きなラマンシグナルが、改良した光ファイバー上に堆積した単分子層のBTから観
察された。対照的に、シリコン層により支持された非構造化金膜上に堆積したBTは、シ
グナルを生じなかった(図3cに示す)。固い基板、可撓性の基板または伸張可能な基板
により支持されたグラフェン上の複合金属ナノアイランドのピエゾ抵抗は、ひずみセンサ
ーとしての使用のために、非常に適切である。固い基板の例は、ガラスを含み、可撓性の
基板の例は、ポリマーのポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)を含み、伸張可能な
ポリマーの例は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を含む。
みセンサーは、金属(例えば、パラジウム)の薄層(例えば、8~10nm)を、金属基
板(例えば、銅基板)上のグラフェン上に堆積させ、ポリマーのスピンコーティングによ
る薄い(例えば、約8μm)ポリマー(例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS))
上に複合膜構造物を転写することにより、製造することができる。次いで、銅基板をエッ
チングして、高感度ひずみセンサーを得ることができる(図3dに示す)。例えば、1%
のひずみでのゲージ率は、少なくとも1335であり得る。ゲージ率GFは、
したグラフェン/PdNIセンサーを用いて測定することができる。このような小さなひ
ずみは、固い基板上にセンサーを配置することにより、正確かつ繰り返し誘導することが
できる。固い基板は、図3fに示すように、特定の厚さ(例えば、13μm厚さ)を有す
る接着テープ(例えば、ポリイミドテープ)を有することができ、テープは、カバースリ
ップの半分を支持する(他の半分は、カンチレバーを形成する)。カンチレバーへ小さな
力(例えば、約0.1N)をかけること、および遠端を基板と接触させることにより、ガ
ラス表面における0.001%の引張ひずみ(図15に示す)を得て、センサーで繰り返
し測定することができる。
とができる。センサーは、図16に示すように、少なくとも2つの変曲点とともに、抵抗
対ひずみ(すなわち、ゲージ率)の非線形の変化率を示すことができ、これは、異なるセ
ンシング様式の存在を示し得る。
おそらく、図3gに示すように、PdNIが、分離中に小さな変化を受ける場合、トンネ
ル電流の変化に起因する。この方式におけるゲージ率10は、例えば、(0.02%~0
.27%の間で)<<1%のひずみでのトンネル抵抗における変化についての文献値と類
似している。本明細書に開示するグラフェン/PdNI膜は、(例えば、固い基板上に)
支持され、したがって、界面での自己集合により調製される非支持センサーと比較して、
より高い機械的ロバスト性であり得る。
NIは、球状で、別々の球状ナノ粒子の連続的な単分子層を含むフィルムを形成する、ナ
ノアイランドである。
ひずみの最も感度が高い方式において観測されたピエゾ抵抗の主要因であってもよい。サ
イクル負荷は、繰り返し変形を生じるセンサーへ力を繰り返しかけることである。
ンの剛性により抑制されてもよく、これは、735~316のゲージ率(それぞれ、1%
および5%のひずみ)の減少を示し得る。5~6%周辺のひずみで、感度は再び増加し得
、これは、下にあるグラフェンの亀裂の開始(図17、18、24に示す)、したがって
PdNI膜での亀裂伝搬の増加により、説明することができる。
用することができる。例えば、航空機翼などの航空機の部品の曲げ、橋などの構造物の亀
裂のモニタリングである。
る。例えば、生物学的環境におけるグラフェン/AuNIセンサーの性能は、複合ポリメ
チルメタクリレート(PMMA)/AuNI/グラフェン膜構造物で被覆されたカバース
リップ上の新生仔ラットの心筋細胞(CM)を培養することにより、試験される。
着プロモーターの必要なく、生CMを有する基板の優れた生体適合性を示す。図4cおよ
び以下で詳細に示す特殊チャンバーを使用すると、図4dに示すように、心筋細胞の自発
活動と関連するセンサーのシグナルの可逆変化を、検出することができる。
などの興奮収縮脱共役剤は、ひずみセンサーにより検出されたシグナルが、細胞の収縮活
動または電気的活動に関連していたか否かを識別するために使用することができる。シグ
ナルの目に見える調節は、細胞の周囲の溶液中の10μMのブレビスタチンの存在中では
見出されず、センサーが、細胞の電気的活動ではなく収縮に応答したという仮説を支持し
ている。
n=173)を示し、図4dの左上部分に示すように、非常に高いシグナル対ノイズ比(
異なる強さのCM収縮について、42および100の間)を示した。指数関数的減衰プロ
ファイルは、全ての収縮について類似し、図4dの右上部分に示すように、単一指数関数
(toff=68.6±1.5ミリ秒、n=173)と一致した。ひずみセンサーにより
検出されたCM収縮の振幅および時間的プロファイルは、CM応答の詳細な特徴付けを可
能にし得、創薬への適用のために様々な薬理的化合物を試験することを可能にし得る。
板の同一性により制御することができ、マルチモーダルセンシングのための有望なプラッ
トフォームシステムを提供するコンピューターの使用により予測することができる。他の
手順により形成された金属ナノ粒子の膜とは対照的に、グラフェン支持ナノアイランドは
、ほとんどの任意の表面への操作性および容易な転写の能力を有する。グラフェン支持ナ
ノアイランドの操作は、転写を含み、例えば、ピックアップ、浮遊、整列、パターニング
および配置も含む。この性質は、SERSによるリモートセンシングのための光ファイバ
ーの先端上に、直接、構造物を取り付け、地下水または血流などのこれらの系への光ファ
イバーの挿入を可能にし得る。
MS)上へのこれらの構造物の堆積は、実証された感度が、少なくとも4桁にわたり得、
いまだに報告されていない任意の薄膜ひずみセンサーの最も高いゲージ率を有し得る、ヒ
トおよび構造ヘルスモニタリングにおける適用を可能にする。これらの構造物の感度およ
び生体適合性は、非侵襲的な心筋細胞の収縮の測定を可能にし、幹細胞由来の心筋細胞の
機能的な特徴付け、ならびに心臓毒性および心臓血管薬の創薬のための新規薬物候補剤の
マルチモーダルスクリーニングのための非常に貴重なツールであり得る。
Aesar、13382、99.8%)上に合成した(18cm×20cmの大きさの
グラフェンシートを合成し、下記に記載する金属補助剥離(MAE)により転写した)。
グラフェンの成長の前に、銅箔を、浅いアセトン浴中に浸漬し、それを、(アセトン中で
)Kimwipeティッシュでふき取ることにより、洗浄した。箔をアセトンですすぎ、
イソプロピルアルコール(IPA)で満たした同様の浴中に移した後、この溶媒中で、機
械的洗浄を繰り返した。機械的洗浄は、アセトンおよびIPA中での超音波処理により洗
浄された箔と比較して、より汚れていないグラフェンをもたらすことができる。この方法
は、(大面積の銅箔を超音波処理するために使用される大容積を考慮すると)多量の両方
の溶媒を節約することもできる。IPA中での機械的洗浄後、箔をIPAですすぎ、圧縮
空気流中で乾燥した。
じさせるのに役立ち得る。洗浄な、乾燥した銅箔を、ビーカーの側壁の外形に従って、2
50mLのビーカー内に置き、アノードとして使用した。銅管(d=2.54cm、l=
15cm)を、円柱軸に沿って、ビーカー内に挿入し、カソードとして使用した。カソー
ドの円筒状の形状およびアノードの湾曲した表面が、電解研磨中に、均一な電界を発生し
た。濃リン酸(H3PO4、15M)を、電解質として使用し、カソードおよびアノード
を、それぞれクランプとワニ口クリップで固定した後、ビーカー内に注いだ。20WのD
C電源を、電流および電圧を発生させるために使用することができる。電圧を1.6Vに
設定し、電流が初期値から50%低下してプラトーになるまで、電解研磨を進めた(通常
、5~10分の間)。電解研磨の後、カソードおよび電解質を、ビーカーから取り除き、
銅箔を、DI水で十分にすすいだ(3分)。次いで、銅箔を、IPAですすぎ、圧縮空気
流下、風乾し、すぐに、化学蒸着(CVD)反応器の石英管の中央に入れた。
、l=100cmを有する石英管炉(MTI OTF-1200X-HVC-UL)中で
行った。CVDチャンバーおよび反応器ガス供給ラインを、ダイアフラム真空ポンプで、
チャンバーを真空に吸引しながら、全ての合成ガス(水素、メタンおよびアルゴン)の混
合物をそれらの最大流速で流すことにより、5分間、空気をパージした。5分後、ガス流
を停止し、チャンバーを、ターボ分子真空ポンプで、約10-4トールまで真空にして、
ガス混合および反応器チャンバーからメタンおよび水素を除去し、同時に、銅箔の表面か
ら、可能性がある有機汚染物質を脱着させ、次いで、炉を730℃超に加熱した。次いで
、チャンバーを、超高純度アルゴン(700SCCM)で、大気圧まで再加圧して、これ
を、グラフェン合成の全手順中にわたって、常に流した。銅箔を、アルゴン流中、105
0℃に加熱した(30分)。この温度に達したら、追加の水素(60SCCM)を、60
分間流して、銅基板を、アニーリングおよび活性化した。60分のアニーリング後、水素
の流速を、5SCCMに低下させた。30分後、0.3SCCMのメタンを、グラフェン
の合成のために、40分間流した(総ガス流速:700SCCMアルゴン+5SCCM水
素+0.3SCCMメタン=705.7SCCM)。40分後、メタンの流速を、0.7
SCCMまで増加させた。60分の(メタン流による)総グラフェン成長時間の後、炉を
止め、5cm開けた(同じガス流を継続する)。炉が700℃に冷えた時点で(約5分)
、炉を10cm開けた。350℃で(約30分)、炉を完全に開けた。200℃で、水素
およびメタン流を切断し、反応器チャンバーを、アルゴン流中で、室温まで放冷した(総
冷却時間は約1時間であった)。合成されたグラフェンを、図5に示すように、光学顕微
鏡法およびラマン分光顕微鏡により分析した。グラフェンは、高品質で、わずかな付加層
を有する単層を含む。付加層は、層の数が1を超えるグラフェンのエリアである。グラフ
ェン合成が完了したら、グラフェンを有する銅箔を、(周囲空気からの外来性の吸着剤に
よるグラフェンの汚染を避けるために)酸素プラズマ処理パイレックス皿に移し、クリー
ンルーム環境で金属の蒸着をすぐに行った。
びニッケル)上に銅からグラフェンを転写した。簡潔には、グラフェンを、銅基板上に成
長させ、次いで、他の金属(例えば、金、銀および/またはニッケル)のシートを用いて
、上に積層される。グラフェンは、銅よりも金に良く付着するので、グラフェン単層の全
体を容易に取り外すことができ、大面積にわたって、損傷を受けずに残る。MAE中の高
真空環境におけるコンフォーマルなグラフェン/受け取り金属の接触面の形成は、接触面
を、酸化物および他の汚染物質がない状態にするのを助けることができる。コンフォーマ
ルは、100%のグラフェンの表面原子と接触する蒸着させた金属を含むことができる。
例えば、銅上のグラフェンは顕著な表面粗さを有し得るので、適合性は、転写にとって重
要であり得る。
着物および金属基板)および処理パラメーターの関数のみであり得る。
比較するために、Temescal BJD-1800 e-ビーム蒸着機を使用して、
10nmの蒸着物(金または銀)を、銅、ニッケル、金および銀により支持されたグラフ
ェン上に堆積させた。グラフェンを有する基板を、試料ステージに固定し、蒸着物源の下
に直接、配置した(40cmの距離)。金属の蒸着速度を低く保ち(0.1Ås-1、水
晶振動子微量天秤によりモニターした)、チャンバーの圧力を、蒸着中、7×10-7ト
ールに保った。蒸着の最後の時点での基板の温度は、400Kであった(標準的な堆積条
件-SDCとも言う)。蒸着速度および基板の温度は、得られたNIの形態を決定する重
要なパラメーターであり得る。
、および0.1Å/秒、500Kで実施した。グラフェンが、金および銀原子について非
常に低い拡散障壁を示すとしても、より速い速度での蒸着(0.1Å/秒に対して、2Å
/秒)は、図S4に示すように、プロセスを、より速度論的制御に偏らせ、構造化がより
少ない形態をもたらす。反対に、より高いプロセス温度(400Kに対して、500K)
は、図S5に示すように、より高い結晶度の形態およびより低い被覆面積をもたらすこと
ができる。
用して、分析した。SEM画像は、NIの形態が、下にある基板の結晶方位に依存するこ
とを示す。図6は、2つの隣接する銅粒の異なる方位との、銅基板上のグラフェン上への
10nmの銀の(SDCでの)堆積から得られるAgNIの形態の相違を実証する。SD
Cでの10nmの金を、より大きな密度の付加層を伴うグラフェンを有する銅基板上に堆
積させて、基板および蒸着物の間のグラフェン層の数が、NIの自己集合に影響を与える
かを決定した。さらに、銅/グラフェン/AuNIを、PDS 2010パリレン塗工機
を使用して、1μmのパリレンCで被覆した。下にある銅のエッチングにおいて、パリレ
ン/AuNI/グラフェンを、SEMを使用して画像化した(AuNIを、下にあるグラ
フェンを通して画像化した)。図S3において、AuNIにおけるパーコレーションの量
は、漸次多くの層を有するグラフェンで減少したことが分かる。これは、追加のグラフェ
ン層が、銅の表面エネルギーを連続的に低下させるので、薄膜成長のモデルと良く相関し
た。
から、最終的な受け取り基板(光ファイバー、ガラススライド、PDMS、PET,ヒト
の皮膚など)上に、転写することができる。ガラスカバースリップ、シリコンウエハーお
よびPDMSのストリップへの転写は、グラフェンを転写するための標準的な方法論を使
用して行った。最初に、PMMAの支持層(例えば、100ナノメートル厚さ)を、銅/
グラフェン/NI上にスピンコートし、続いて、1Mの塩化鉄(III)(FeCl3)
中で、1時間、銅基板をエッチングした。この後、グラフェン/NI/PMMA膜を、エ
ッチング液の表面に浮遊させ、脱イオン水を含有するビーカー内に、すくい集めて、移し
て(3回、それぞれのビーカーで5分)、銅のエッチングで残った汚染物質を除去した。
次いで、グラフェン/NI/PMMAを、SEM分析のためのシリコンウエハーの一片で
すくい集めた(図S7)。
に示す転写前のものと非常に相違していた。AuNIは、完全にパーコレーションされた
ネットワークを形成し、曲線的な特徴に有利に、鋭い結晶のエッジおよび角を失っていた
。この効果は、低い表面エネルギー(72mJ/m2)を有する水のために、グラフェン
/AuNIの下から、高い表面積(銅、1650mJ/m2)を有する基板と(断続的に
)置き換わることに起因し得る。安定化した基板の結晶化度も、銅のエッチングにより消
失する。この段階で、AuNIは、一見したところ、最も熱力学的に有利な構成に再構築
され、最終的な受け取り基板上に、それらが配置される際に維持される可能性がある。こ
の急激な再構築は、STP条件において起こり得る。グラフェン/NI/ポリマーを含む
浮遊性膜(図20)は、最終的な受け取り基板を、グラフェンと接触させること、または
逆に支持ポリマーと接触させることの2つの方法の1つで、基板上に堆積させることがで
きる。最初の場合において、基板は、最初に、DI水に沈められ、水の中からゆっくりと
持ち上げて、浮遊した複合膜構造物をLangmuir-Blodgettの方法で取り
出すことができる。光ファイバー、ガラスカバースリップおよびPDMSストリップは、
ラマンセンシングのために、この方法で被覆することができる。ひずみセンシングのため
の固い基板および可撓性の基板も、この方法で被覆することができる。
らに、水中に沈める(図21)。心筋細胞の培養および収縮実験、ならびに心拍数のモニ
タリングのための基板は、この方法で被覆することができる。センサーが、転写中にPM
MAにより支持されている場合、この支持ポリマー膜は、アセトンで容易に除去すること
ができる。注目すべきことに、先端の面積(約0.03mm2)は、非支持グラフェン/
NI膜の破損から生じるフラグメントよりも著しく小さいので(発生する場合)、グラフ
ェン/AuNI膜で光ファイバーの先端を被覆するのに支持ポリマーは使用しなかった。
市販のラミネーターで)ラミネートすることができ、したがって、銅のエッチングの際に
、支持および最終的な受け取り基板としての役割を果たす。8このような転写は、125
μm厚さのポリエチレンテレフタレート(PET)により支持された可撓性のひずみセン
サーを生成することができる(図22c、d)。
o Supercomputer CenterのComet supercomput
erで入手可能な、オープンソースのシミュレーションパッケージであるLAMMPS(
2014年12月9日)9を使用して行った。シミュレーションは、全部で48個のIn
tel Xeonプロセッサーを含有する2つの計算ノードで分散されたメッセージパッ
シングインターフェイスを使用して、動的な負荷が分散されたドメイン分割で加速した。
約5ナノ秒/日の効率性に相当する、約20倍のパラレル形式のスピードアップを達成し
た。視覚化および処理後の分析を、オープンソースの視覚化ツールであるOVITOを、
カスタムpythonモジュールと併せて使用して行った。
び平衡化した。具体的には、厚い銅の支持体(30層)を有する3×3のモアレスーパー
セルを、その最下層として使用して、効率的に、バルクの銅表面のモデルを作製した。4
mmの高さの真空層を、表面の上に挿入して、金原子を堆積させ、アイランドが成長する
ための空間を与えた。反射する境界条件を、水平方向に周期的境界を有する、垂直方向に
課した。最初のシミュレーションセルの概略図を、図25に示す。
子を、真空領域の挿入平面内のランダムな位置に、表面に対する速度がナノ秒あたり20
0粒子の速度で導入した。この堆積速度は、コンピューターによる制約に起因して選択し
た。これは、実験速度よりも数桁大きいが、選択した速度は、シミュレーションを現行の
コンピューターで妥当な時間内に行うことを可能にするものであり、あらゆる文献での標
準的な慣行である。粒子の速度は、実験の蒸着温度と同等の温度で、マクスウェル-ボル
ツマン分布からサンプリングした。システム全体の温度は、0.01ピコ秒の時定数を有
するNVTアンサンブルにおけるNose-Hoover型サーモスタットを使用して、
堆積プロセス中を通じて400Kで維持した。運動方程式は、時間可逆な測度保存Ver
letアルゴリズムで1フェムト秒の時間ステップを使用して積分し、数値的に安定なシ
ミュレーションが得られることを見出した。
グプロセスを、温度を500Kまで上昇させ、金のアイランドが、拡散して、形態が安定
になるまで(約15ナノ秒)、凝集することを可能にすることにより、シミュレーション
した。アニーリング中、金クラスターの表面積は、2.5Åのプローブ球半径および20
の平滑レベルで、OVITOソフトウェアパッケージからの表面メッシュ修正を使用して
モニターした。
子間ポテンシャルを用いて独立して処理した。金属-金属相互作用は、金属系に対して文
献を通じて広く使用され検証されている原子挿入法を使用して、全てコンピューターで計
算した。炭素-炭素相互作用は、グラフェンのための良好なモデルとして示されている、
AIREBOポテンシャル2を使用して、処理した。炭素-銅相互作用は、高レベルの密
度汎関数理論計算を使用して、このシステムのために具体的にパラメーター化された、角
度に依存したAbell-Tersoffポテンシャルを使用して、処理した。最後に、
炭素-金相互作用は、本明細書の場合のように、欠陥または粒子境界が存在しない限り、
グラフェン上の金の結合および拡散の正確な説明を与えることが示されている、Lenn
ard-Jonesポテンシャル(イプシロン=0.0341eV、シグマ=3.003
オングストローム)を使用して、処理した。使用した原子間ポテンシャルの概要は表S1
で分かる。
イルは、形態の進化およびナノアイランドの成長を定量的に特徴付けるために使用するこ
とができる大量の情報を提供する。これらの計量は、異なるシステムと比較するための基
準を提供し、実験単独では達成不可能なアイランドの成長に内在する物理的メカニズムへ
の洞察を与えることができる。非常に容易にモニターすることができる1つの量は、個々
の金原子の配位数である。軌道ファイルのスナップ写真を、完全に解析し、全ての最近接
の隣接物を、距離のカットオフとして結合距離を使用して、全ての金粒子について計算し
た。図23は、アイランドの成長として、金粒子の配位数の可能性のある分布の進化を示
す。これらの結果は、0.5nmのAuが堆積した後、金原子の大部分が、クラスターの
表面に相当する、配位数6を有することを示す。金原子の大部分は、1nm堆積した後に
、クラスターのバルクに相当する、配位数12を有する。
粒子の高さの分布である。これらは、それらの鉛直高さに関する軌道のスナップ写真から
金粒子をビニングし、分布を正規化することにより、計算した。図14は、堆積プロセス
中のこの可能な分布の進化を示す。0.5nmの堆積したAuのみ、アイランドの最大高
さは、6層である(22Å)。この結果は、表面全体に拡散する代わりに、1カ所に集ま
る金クラスターの選択が、金/基板の相互作用に対してより好ましい金/金の相互作用に
起因する可能性があることを示す。上記の分析を使用して、将来のコンピューターによる
実験のアイランドの成長における、下にある基板および堆積した金属の効果を比較する。
μm厚さの光ファイバー(コア:半径が50μm、50μm厚さのクラッディング、50
μm厚さのシース)の先端上に転写して、ラベルフリーセンシングのためのSERS基板
としてのグラフェン/NI複合膜構造物の使用の実現可能性を検討した。7.5nmの金
を、銅上のグラフェン上に蒸着させて、それらの間の最小間隙(例えば、3~20nm)
を有する、パーコレーションされていないAuNIを得た(図3b、右挿入図)。7.5
~8nmのAuの堆積を、AuNIのためのパーコレーションの閾値として定める。フィ
ルムの転写およびファイバーの周囲空気中での終夜乾燥後、これらを、10mMの1-ブ
タンチオール(BT)のエタノール性溶液を含有するビーカー内に、(対照の基板として
)蒸着させた100nm厚さの金の膜を有する1cm2のシリコンウエハー片(対照の基
板として)と一緒に置いて、金の表面上にBTの自己集合単分子層(SAM)を形成した
。この厚さでは、金は透明ではないので、基板のSiO2またはSi/SiO2の同一性
は重要ではない。
ぎ、周囲空気中で乾燥した。
rted stage)および785nmの励起源を有するラマン顕微鏡(Renishaw in
Via)を使用した。試験試料および対照の両方について、レーザービームを、2μmの
ビームスポットに収束させ、露出を、0.5mWの出力で、60秒に設定した。はっきり
と異なるBTシグナルが、1秒程度の少ない露出でさえも、(低いシグナル対ノイズ比に
もかかわらず)被覆された光ファイバーの先端から得られたが、BTシグナルは、ビーム
出力を5mWに上げ、次いで、50mWに上げることによってさえ、60秒の露出で、得
られなかった。これは、グラフェン/AuNIが、適切なSERS基板であり、非構造化
金膜にはるかに勝っていることを示す。この実施形態は、複合グラフェン/NI膜構造物
の可操作性を実証する。これらは、光ファイバーの先端のような小さな物体上に転写する
ことができ、リモートセンシングにおいて非常に将来有望な適用を可能にする。
約10nmのPdを堆積させることで、球状粒子(直径4~5nm)の均一な単分子層の
形成をもたらした。これらの球状粒子は、非常に異なる形状であっても、今もなお材料選
択の機能であり、本明細書に開示する他のナノアイランドと同じ方法で製造することがで
きる。したがって、これらのグラフェン/PdNIは、広い範囲のひずみにわたって、そ
れらのピエゾ抵抗性を試験するために、固い基板(ガラス)、可撓性の基板(PET)お
よび伸張可能な基板(PDMS)上に転写した(図22)。
してのPdNIの性能を評価するために、3~5×25mmのグラフェン/PdNI/P
MMAストリップを、130μm厚さの1インチ×1インチのガラスカバースリップ上に
転写した。PMMAを除去するために、スライドをアセトンですすいだ。センサーに電気
アドレスさせるために、銅線(36ゲージ)を、導電接着剤を有する銅テープを用いて、
PdNIおよびガラスカバースリップに接着し、EGaIn滴を、ほどいた銅線の末端上
に置いて、図22aの安定な電気的接触を確実にした。全ての場合において、電極の接続
後のPdNIセンサーのアスペクト比は、3~10の間であり得、644~2015オー
ムの間の緩和抵抗であり得る。
および記録するために、13μm厚さのポリイミド(PI)テープ(0.001%ひずみ
については1層、および0.003%ひずみについては3層)を、2インチ×3インチの
ガラススライド上に置いた。PIテープを、制御可能な高さの段として使用して、テープ
上のPdNI被覆ガラスカバースリップの半分を置いて固定することにより、カバースリ
ップおよびカバースリップの他の半分の下のガラススライドの間に間隙を作りながら、カ
ンチレバーを作った(図3f)。カンチレバーの自由端に小さな力(約0.1N)をかけ
、それをガラススライドと接触させることにより、ガラススライドを曲げて、そのPdN
I被覆表面上に引張ひずみを誘発し、カスタム生成LabVIEWコードを使用して、K
eithley 2400ソース/メートルを有する抵抗の変化を記録した(図3f、右
挿入図)。固体PdNI膜の対照試料を、同様の方法で分析した(図19)。
のピエゾ抵抗を測定するために、PdNIセンサーを、PDMSのストリップ(3mm×
10mm×100mm)上に転写し、それを銅線およびEGaIn(共晶ガリウムインジ
ウム)でアドレスし、PDMSを伸張するために高精度線形アクチュエータを使用した(
図22b)。グラフェン(PdNIなし)対照試料を、同様の方法で分析した。センサー
を、1%の間隔で、0%および9%のひずみの間でサイクルした(それぞれ1%の間隔あ
たり20サイクル)(図3e)。センサーは、安定なベースラインを維持しながら、非常
に高いゲージ率およびサイクル性を示した(図24)。
銅/グラフェン/PdNI上にスピンコートし、PDMSを、100℃で10分間、ホッ
トプレート上に硬化させた。銅を、1Mの塩化鉄(III)中で、1時間エッチングした
。浮遊性のグラフェン/PdNI/PDMS膜を、DI水に転写し(3回)、DI水およ
びセンサーを有する容器内に手首を入れることにより、手首の皮膚上に(橈骨動脈上部に
)センサーを正確に置いた(図3d)。
、接着テープのストリップを、テープがない橈骨動脈の上の皮膚の部分を残しながら、手
首の周囲に接着した。接着テープは2つの目的を果たす:それは、電気接触ワイヤの取り
付けおよび保持を助け、かつテープで覆われた皮膚を伸張できないようにすることによっ
て皮膚のテープがない部分にひずみを局在化させた。1つのセンサーは心拍数を測定する
ことができるが、転写プロセス中にPDMS中でしわを発生させた2つの他のセンサーは
、十分な感度ではなかった(3つのセンサーは全て手首および個々の指の動作を、高い忠
実性で記録することが可能であった)。
み下、PdNIセンサーの膜の形態を記録するために、センサーを、XL30 FEI
SFEG UHR走査型電子顕微鏡を用いて画像化した。固い基板上の小さなひずみ下で
センサーを画像化するために、PIテープ段方法を使用した。ここで、カンチレバー上に
断続的な力をかけることに代えて、カンチレバーの自由端を、導電性銅テープを用いてガ
ラススライドに、取り外せないようにテープで固定した。このテープはまた、試料を、S
EMステージに放電するための電気的な接地電極としての役割を果たした。
トリップにより支持されたセンサーを、SEMステージへの試料の電気的な接地の役割も
果たす接着銅テープを使用することにより、それぞれ、15mmおよび10mmの曲率半
径を有する3Dプリントされた半円筒の曲面に接着した(特定の半径にPDMSストリッ
プを曲げることにより、3および5%の引張ひずみを表面に発生させた)。
rthington)を使用して単離し、37℃、5%CO2で培養した。つまり、心室
を、1日齢のHsd:SDラット(Sprague Dawley)から切断し、次いで
、トリプシンで、4℃で終夜、消化した。翌朝、消化を、コラゲナーゼで、37℃で約6
0分間、継続した。細胞を、90分間、予め蒔いて、線維芽細胞を除去し、高血清培地(
DMEM/F12[1:1]、0.2%のBSA、3mMのピルビン酸ナトリウム、0.
1mMのアスコルビン酸、4mg/リットルのトランスフェリン、2mMのL-グルタミ
ン、10%のウマ血清および5%のウシ胎仔血清を追加した100nMの甲状腺ホルモン
(T3))中、細胞2×105個/cm2で、PMMA/AuNI/グラフェンで被覆さ
れた12mmのガラスカバースリップ上に蒔いた。24時間後、培地を、低血清培地(0
.25%のウシ胎仔血清のみを含む以外は上記と同じ)に交換した。3つの細胞培養物を
、それぞれの細胞培養物について、少なくとも8個の基板を有するPMMA/AuNI/
グラフェン上に蒔いた。いくつかのPMMA/AuNI/グラフェン基板は、それぞれの
細胞培養物の平板培養中に、Matrigelで被覆して、むき出しのPMMA/AuN
I/グラフェン基板と、Matrigelで被覆されたPMMA/AuNI/グラフェン
基板に対する細胞の接着を比較した。試料間の細胞の接着および生存率の相違は観察され
なかった。
し、次いで、4%のホルムアルデヒド溶液で、室温で2時間、固定し、同じ緩衝液で、3
回、それぞれ5分間、洗浄した。アルコールの一連の勾配(30%エタノールを10分、
50%エタノールを10分、70%エタノールを10分、80%エタノールを10分、9
5%エタノールを10分で2回交換、100%エタノールを15分で3回交換)による脱
水の後、全ての試料を、真空チャンバー中で凍結乾燥し、スパッタリングされたイリジウ
ムで被覆した。走査型電子顕微鏡法の画像を、XL30 FEI SFEG UHRで、
10kVのエネルギービームを使用しながら、5mmの作動距離で、得た。
ングにより、カスタム電気生理学チャンバーを構築した。出来上がったチャンバーは、中
央開口部(細胞培養および培地のため)および側面開口部(共晶電極の配置のため)を有
し、AuNI基板の中央部分が中央開口物に位置し、かつAuNI基板の端部が側面開口
部を通して、EGaInを使用する電気アドレスのためにアクセス可能な方法で、PMM
A/AuNI/グラフェンおよびCM培養物を有するガラスカバースリップの上に配置さ
れた(図4a)。次いで、組み立て物を、1インチ×3インチの2枚のガラススライドの
間に挟み込み、良好な密封性を確実にするためにバインダクリップで固定した。ガラスス
ライドの上に予め5mmのアパーチャを開けて、培地およびブレビスタチンを、チャンバ
ーの中央開口部に添加することを可能にした。チャンバーの開口部の間のPDMS壁は、
細胞の培地(NaClが135mM;KClが2.5mM;CaCl2が2mM;NaH
CO3が1mM;Na2HPO4が0.34mM;KH2PO4が0.44mM;グルコ
ースが20mM;およびHEPESが10mM(pH7.4))から、EGaIn電極を
分離する役割を果たした。電気生理学の記録を、Digidata 1322インターフ
ェイス、Axopatch 200B増幅器およびpClampソフトウェア(Mole
cular Devices Corp.)を使用して、電流-クランプの構成において
行った。データを、50kHzで、デジタル処理でサンプリングし、2kHzでフィルタ
ー処理した。実験は室温で行った。ブレビスタチン(10uM、Tocris)およびK
Cl(30mM)を、CM収縮の速度に影響を与えるために、実験チャンバーに直接添加
した。個々の収縮を表す全ての痕跡を、Clampfit10.3およびOriginP
ro2015を使用して、指数関数に適合させた。
ンピーダンスプロファイルを提供することもできる。インピーダンスのための一般方程式
は、Z=R+jX(式中、Rは、「通常の」抵抗であり、虚数部であるjXは、回路のリ
アクタンスの位相シフトに関する)である。インピーダンスは、AC電流測定のために関
連があり得る。DC電流測定に関しては、インピーダンスは、回路の抵抗に等しい。記録
された抵抗を超えるインピーダンスを使用すると、電極の位相シフトしたキャパシタンス
放電-再充電に関する、細胞の追加の構成要素の挙動により、追加情報を収集することを
可能にし得る。
。収縮する細胞(例えば、収縮する培養細胞)のためのインピーダンスプロファイルを測
定するための方法は、細胞層の逆側上に2つの電極を含んでいてもよい。システムは、複
数の電極を有する記録回路を含むことができ、少なくとも1つの電極は、細胞層のそれぞ
れの側に位置する。
、時間分解法で、電流-電圧シグナルを迅速に記録する能力がある。
は、増加し得る。それらが収縮すると(すなわち、面積が縮小する)、露出した電極の面
積が増加し、インピーダンスは低下し、こうして、拍動(およびその振幅)を記録する。
ファイルの第1の微分係数を含む、いくつかのパラメーターを測定することができる。細
胞膜電位は、細胞膜の内側(細胞質)の小葉および外側(細胞外)の部分の間の電圧の差
である。電極が細胞膜と接触すると、細胞膜電位プロファイルをモニターすることにより
、細胞(例えば、培養細胞)の活動(例えば、収縮活動)を追跡することができる。例え
ば、本明細書に開示するシステムおよび方法は、細胞活動に起因する電圧の動的変化のい
くつかの構成要素を測定することができる。
イランドの間の粒子間距離の変化の光学的観測により、細胞の収縮性のプロファイルを提
供することができる。暗視野顕微鏡法は、画像のコントラストを強くする照明技術を含む
ことができる。照明光は、非常に強くてよく、試料の照明後、直接照明の光ビームは、試
料を調査するために使用される対物レンズへの進入を阻止される。結果として、対物レン
ズに進入する唯一の光は、試料からの散乱光になる。この顕微鏡技術は、暗い背景に対し
て明るく光る画像とともにほぼ黒色の背景を生成する。
ながら、より大きなサイズのアイランド(例えば、さらに大きい)および局在化した表面
プラズモン共鳴により引き起こされる効果により、暗視野像を検出することができる。
。細胞、例えば、培養心筋細胞は、ナノアイランドに収縮力をかけることができ、それら
を周囲にシフトさせることができる。シフトおよび他のパラメーター(色の変化/光波長
の変化)の量を、検出のために使用することができる。
細胞収縮性のプロファイルを提供するように構成することができる。心筋細胞内のカルシ
ウムイオン濃度の動的変化は、心筋細胞の活動を検出するために使用することができる。
例えば、特別に配合された蛍光カルシウム指示染料の使用による。それぞれの染料分子は
、カルシウムイオンと結合すると、その蛍光を変化させることができる。この染料は、例
えば、従来の蛍光顕微鏡法により、記録する前に、培養細胞(例えば、心筋細胞または任
意の他の種類の細胞)内にロードしなければならない。細胞内のカルシウム濃度の上昇は
、細胞収縮をもたらすアクチン/ミオシンカップリングを惹起することができる。したが
って、(金属ナノアイランド付近のイオンとは対照的に)細胞内カルシウム濃度の動的変
化は、細胞の収縮活動の適切な「代替的測定値」であり得る。記録されたシグナルは、良
好なダイナミックレンジを伴って、高速かつ明るくあり得る。
ように構成される。細胞からのラマンスペクトルデータは、主要なセンサーモダリティへ
の追加である。細胞表面上の生化学的に活性な構造物からのラマンシグナルは、収縮活動
中の膜化学の組成における変化を反映することが可能であってもよい。
ることができるので、後者は、発現した膜タンパク質、細胞の被験物質、サイトカインな
ど、ならびに細胞体内の数十ナノメートルの化学構造からのラマンシグナルを増強するこ
とができる。本明細書に開示する方法およびシステムは、ミトコンドリアの運動を検出す
る非構造化金膜よりも、よりプラズモン的な活性が桁違いの大きさなので、開示するシス
テムの分解能およびシグナル対ノイズ比は、大きくなり得る。データ分析は、細胞生化学
から得られた複雑なシグナルの解析を含むことができる。
ることができる。電気的に細胞を刺激する方法は、細胞層の両側の上で2個の別個の電極
を使用することを含み、これらの2個の電極間に電圧を加えることができる。本明細書に
開示する方法およびシステムは、1個の電極を細胞の上に、1個の電極を細胞の下に有す
る、不活性電極として使用することができる。
。例えば、金ナノアイランドは、プラズモン的に活性であり得、1つのバンドの光により
、光学的に細胞活動を読み取ることを可能にしながら、別のバンドの光を使用して、細胞
の収縮を刺激することができる。例えば、光を、ナノアイランド(例えば、金アイランド
)上に成長した細胞に照らすと、これらは、非常に迅速に収縮し得る。強い照明により、
これらは、強縮(連続的な収縮の状態)になる。光は、金ナノアイランド中で、プラズモ
ニクスモードを活性化してもよく、表面上および間隙における電界を変化させてもよい。
これは、細胞膜の脱分極および細胞活動を引き起こしてもよい。
を含むことができる。このようなシステムのための適用は、ヘルスケア、ウェルネス、触
覚技術、機器を備えたプロテーゼ、およびナノアイランドセンサーが身体の外部で使用さ
れる他の適用を含むことができる。
以下に、本願の当初の特許請求の範囲に記載の発明を列挙する。
[発明1]
複合膜構造物を製造するための方法であって、
前記複合膜構造物の金属層にとって所望の形態を決定するステップ、
前記決定に基づいて、第1の金属基板を選択するステップ、
前記第1の金属基板上にグラフェン層を転写するステップ、
前記グラフェン層上に前記金属層を堆積させて前記所望の形態を得るステップ、ならびに
前記グラフェンおよび堆積させた前記金属層から前記第1の金属基板を除去して、前記複合膜構造物を形成するステップ
を含み、前記第1の金属基板と前記堆積させた金属層の間の表面エネルギーの相違が、前記金属層の前記所望の形態をもたらす、方法。
[発明2]
前記所望の形態が、ナノアイランドを含む、発明1に記載の方法。
[発明3]
前記金属層中のナノアイランドの縁部の間の間隔が、分子寸法のオーダーである、発明2に記載の方法。
[発明4]
前記金属層を堆積させるステップが、金属原子の蒸着フラックスの堆積を含む、発明1に記載の方法。
[発明5]
前記金属原子の前記蒸着フラックスが自己集合して、前記所望の形態が得られる、発明4に記載の方法。
[発明6]
前記金属原子の前記蒸着フラックスが、電子ビーム蒸着、熱蒸着またはスパッタリングにより生成する、発明4に記載の方法。
[発明7]
前記第1の金属基板上に前記グラフェン層を転写するステップが、第2の金属基板上に成長させた前記グラフェンを剥離すること、および前記第1の金属基板上に前記グラフェン層を配置することを含み、前記グラフェンが、単層のグラフェンを含む、発明1に記載の方法。
[発明8]
前記グラフェンは、化学蒸着を使用して前記第2の金属基板上に成長させる、発明7に記載の方法。
[発明9]
前記第1の金属基板が、遷移金属を含む、発明1に記載の方法。
[発明10]
前記遷移金属が、金、銀またはニッケルを含む、発明9に記載の方法。
[発明11]
表面増強ラマン散乱のための基板を形成する方法であって、
第1の金属基板上に、グラフェン層を堆積させるステップ、
前記グラフェン層上に、複数の金属ナノアイランドを堆積させるステップ、
前記グラフェンおよび堆積させた前記複数の金属ナノアイランドから、前記第1の金属基板を除去して、前記表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ
を含む、方法。
[発明12]
被験物質の表面増強ラマン散乱を行う方法であって、
発明11に記載の方法に従って、表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ、
光ファイバー上に、前記基板を転写するステップ、
前記基板上の前記被験物質を被覆するステップ、および
前記被験物質からの表面増強ラマン散乱のシグナルを記録するステップ
を含む、方法。
[発明13]
被験物質の表面増強ラマン散乱を行う方法であって、
発明11に記載の方法に従って、表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ、
光ファイバー上に、前記基板を転写するステップ、
前記被験物質内に前記基板を配置するステップ、および
前記被験物質からの表面増強ラマン散乱のシグナルを記録するステップ
を含む、方法。
[発明14]
前記複数の金属ナノアイランドが、プラズモン的に活性な金属を含む、発明12に記載の方法。
[発明15]
プラズモン的に活性な金属が、銅、銀、パラジウム、金または白金のナノアイランドを含む、発明14に記載の方法。
[発明16]
グラフェン層、
前記グラフェン層上の金属層、および
前記グラフェン層および前記金属層上のポリマー
を含むひずみセンサーであって、前記ひずみセンサーのピエゾ抵抗が、4桁にわたるひずみを検出することを可能にする、ひずみセンサー。
[発明17]
前記金属層が、パラジウムを含み、第1の金属基板が、銅を含み、前記ポリマーが、ポリジメチルシロキサンを含む、発明16に記載のひずみセンサー。
[発明18]
前記グラフェン層が、前記金属層を通じた亀裂伝搬を抑制するように構成される、発明16に記載のひずみセンサー。
[発明19]
前記ひずみセンサーの1%のひずみでのゲージ率が、少なくとも1300である、発明16に記載のひずみセンサー。
[発明20]
生体試料における力学的運動を測定するためのシステムであって、
チャンバー、
生体試料が上に配置された複合膜構造物であって、グラフェン層と接触している金属層、および前記金属層または前記グラフェン層のいずれかと接触しているポリマー層を含む、複合膜構造物、
前記複合膜構造物に電気的にアクセスするための電気的接続、および
前記チャンバー内の中央開口部であって、前記複合膜構造物上に配置された前記生体試料を受け取るように構成された中央開口部
を含み、前記生体試料は、培養細胞または組織を含み、前記金属層は、複数の金属ナノアイランドを含む、システム。
[発明21]
前記ポリマー層が、前記金属層と接触しており、前記生体試料は、前記グラフェン層上に直接成長する、発明20に記載のシステム。
[発明22]
前記ポリマー層が、前記グラフェン層と接触しており、前記生体試料は、前記金属層上に直接成長する、発明20に記載のシステム。
[発明23]
前記培養細胞の前記力学的運動の振幅および時間的プロファイルを提供するように構成される、発明20に記載のシステム。
[発明24]
前記培養細胞の活動に関連する電気インピーダンスプロファイルを提供するように構成される、発明20に記載のシステム。
[発明25]
複数の電極をさらに含み、第1の電極が、前記培養細胞の片側に位置し、第2の電極が、前記培養細胞の逆側に位置する、発明20に記載のシステム。
[発明26]
前記培養細胞を有する前記複合膜構造物で挟み込むように構成された基板の第2のペアをさらに含む、発明20に記載のシステム。
[発明27]
前記複数の金属ナノアイランド中の金属ナノアイランドの間の間隔の変化の光学的観測により、細胞の収縮性のプロファイルを提供するように構成される、発明20に記載のシステム。
[発明28]
前記培養細胞の活動に起因する細胞膜電位プロファイルを提供するように構成される、発明20に記載のシステム。
[発明29]
前記複数の金属ナノアイランド中の金属ナノアイランドの間の間隔の変化の光学的観測により、細胞の収縮性のプロファイルを提供するように構成される、発明20に記載のシステム。
[発明30]
前記培養細胞からラマン散乱データを提供するように構成される、発明20に記載のシステム。
Claims (3)
- 第1の金属基板上に堆積させたグラフェン層、
前記グラフェン層上の金属層であって、制御可能な間隙により分離された複数の金属ナノアイランドを含む、前記金属層、および前記グラフェン層および前記金属層上のポリマー
を含むひずみセンサーであって、前記グラフェン層上の複数の金属ナノアイランドのピエゾ抵抗が、4桁にわたるひずみを検出することを可能にする、ひずみセンサー。 - 前記金属層が、パラジウムを含み、第1の金属基板が、銅を含み、前記ポリマーが、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項1に記載のひずみセンサー。
- 前記グラフェン層が、前記金属層での亀裂伝搬を抑制するように構成される、請求項1に記載のひずみセンサー。
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