软基质在许多应用中都很有趣，从模拟细胞微环境到植入物。在这样的基板上的导电电极允许实现柔性、弹性和透明的传感器。单层石墨烯作为这种电极的候选者带来的优点是传感器的有源区域是透明的并且与下面的衬底共形。在这里，克服了石墨烯电池传感器在典型软衬底（即聚（二甲基硅氧烷）（PDMS））上常规实现所面临的几个挑战。系统地研究了石墨烯转移前后表面能的影响。因此，本研究已经确定了合适的载体聚合物、最佳的基质（预）处理和用于去除载体的合适溶剂。使用该程序，可以在PDMS上重复获得毫米级稳定完整的石墨烯传感器，该传感器可以在细胞培养基中连续测量数天。根据局部纳米力学测量，我们推断石墨烯转移后基底的柔软度略有影响。然而，本研究可以使用不同成分的PDMS来调节刚度。最后，展示了PDMS上的石墨烯传感器可以成功地用作实时监测细胞粘附动力学的软电极。在具有可调刚度的软基底上常规使用单层石墨烯电极将为研究开辟一条新途径，使PDMS-液体界面导电，对固有材料特性（如柔软性、柔性、弹性和透明度）的改变最小。
图1. 显示将CVD石墨烯转移到PDMS上的过程的方案，包括本工作中开发的优化步骤，由椭圆形阴影区域表示。（a） 铜箔（Gr/Cu）上的石墨烯涂覆有聚合物，通常是聚苯乙烯（PS）。（b） 让PS/Gr/Cu在铜层上游动后，在H2O2/HCl溶液中蚀刻铜层。（c）使用PDMS样品挖出PS/Gr板。在优化的情况下，PDMS表面用温和的O2等离子体进行预处理。（d） 通过在逐滴加入的乙酸乙酯（EtAc）中漂洗来去除PS层。（e） 优化的过程包括用于恢复PDMS的表面能的步骤。具体而言，Gr/PDMS样品在110°C的空气中退火12小时，制成最终的Gr/PDMS器件。
图2. （a，b）在PDMS上测量的水接触角（BCA比10:1）作为氧等离子体处理的参数的函数：（a）在1s的恒定持续时间下使用的等离子体功率和（b）在50W的恒定功率下的等离子体处理的持续时间。在所有情况下，O2压力为0.3mbar。（b）中的插图显示了在所示条件下使用氧等离子体处理后转移到PDMS上的石墨烯片的光学图像。比例尺为50μm。
图3. （a） 在PDMS（不含石墨烯）上测量的水接触角是两种不同温度下退火时间的函数。（b） 转移到在110°C下退火指定时间的PDMS基板上的石墨烯片的光学图像。左列显示了浸入水中之前的图像，而右列显示了在水中搅拌（在轨道振动器中10分钟）之后的相同位置。比例尺50μm。
图4. 用于比较的裸露PDMS表面、Gr/PDMS表面和SiO2表面上的石墨烯的拉曼光谱。激光激发：532nm。
图5. 石墨烯的AFM表征最佳转移到具有金接触垫的PDMS样品上。（a） 显示界面区域的光学图像：右半部分包含45nm的金膜，下面有5nm的铬粘附层；左上象限包含PDMS上的石墨烯，而在右上象限中，石墨烯片位于金膜上。虚线是用作不同区域之间的分界的引导线。（b–d）面板（a）中用绿色矩形标记的区域的AFM形貌图（高度（b）、刚度（c）和杨氏模量YM（d））。比例尺：（a）为50μm，（b–d）为2μm。
图6. 具有不同BCA比率的所制备的PDMS（填充正方形）的杨氏模量（从AFM数据中提取的值）的演变，显示了等离子体处理（空心圆）和石墨烯（星号）的存在的影响。对于后两种情况（空心圆和星号），样品最终在110°C下退火12小时。
图7. 实时监测MCF-7癌症细胞在涂有10μg/mL FN的Gr/PDMS上的粘附动力学。（a） （顶部）显示测量设置的方案，其中在倒置显微镜上制备电化学电池，该显微镜具有活细胞成像能力。Gr用作工作电极。RE：参比电极，CE：对电极。（底部）显示EIS通过适当选择检测频率可以检测到的不同相互作用的方案。（b） 在细胞粘附到石墨烯上和从石墨烯上分离的过程中，在培养基中测量的阻抗实部（在400Hz下的Zre）和电容（在40kHz下提取）的演变。红色箭头对应于向培养基中添加1.6×105个细胞；绿色箭头对应于刷新培养基的中间漂洗步骤；品红色箭头对应于添加0.05%胰蛋白酶以诱导粘附细胞的分离。I、 其中I、II和III是指粘附的三个阶段。（c） 在（b）中的EIS测量期间同时采集的相位对比实时图像。比例尺为100μm。
相关研究成果由圣马丁国立将军大学Diego Pallarola和柏林洪堡大学Kannan Balasubramanian等人2023年发表在ACS Sensors (链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.3c01705)上。原文：Real-Time Monitoring of Cell Adhesion onto a Soft Substrate by a Graphene Impedance Biosensor
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