{"id":16843,"date":"2026-08-20T17:31:31","date_gmt":"2026-08-20T15:31:31","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/jianwei-gao\/"},"modified":"2026-08-20T17:31:39","modified_gmt":"2026-08-20T15:31:39","slug":"jianwei-gao","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/jianwei-gao\/","title":{"rendered":"Jianwei Gao"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":8,"featured_media":16844,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-16843","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"main_text":"","naam_van_het_proefschift":"Fabrication and biosensing with graphene edges","samenvatting":"Samenvatting\n\nFabricage en biosensing met grafeenranden\n\nGrafeendefecten in de vorm van lijn- en puntdefecten zijn geclassificeerd op basis van hun moleculaire structuur en ge\u00ebvalueerd met betrekking tot hun lokale elektronische eigenschappen en chemische reactiviteit, met als doel hun potenti\u00eble toepasbaarheid voor het ontwerpen van op grafeen gebaseerde sensoren te beoordelen (Hoofdstuk 1). Grafeenranden vormen eveneens een type lijndefect en werden ge\u00efntegreerd in grafeen-veldeffecttransistor (GFET)-biosensoren voor de detectie van microRNA (miRNA) (Hoofdstuk 2). In dit hoofdstuk is randgedomineerde di\u00eblektroforese met grafeen-nanoribbon-veldeffecttransistoren onderzocht om de fundamentele beperkingen van diffusie te overwinnen en een uitzonderlijk hoge sensitiviteit te bereiken. Vervolgens werden een millimeter dikke epoxy-inkapseling van monolaaggrafeen en mechanische breuk toegepast om een biosensor te construeren die gebruikmaakt van de karakteristieke kwantumcapaciteit van monolaaggrafeenranden (Hoofdstuk 3). Om herbruikbaarheid van randgebaseerde sensoren mogelijk te maken, werd een keramisch ingekapseld platform op basis van meerlaags grafeen ontwikkeld, waarmee een robuuste en herbruikbare kwantumcapacitatieve biosensor kon worden vervaardigd waarbij uitsluitend de grafeenranden werden gefunctionaliseerd (Hoofdstuk 4). Ten slotte werd een elektrochemische biosensor ontwikkeld op basis van monolaaggrafeen dat polyaniline (Gr\u2013PANI) overbrugt, waarbij het elektrochemische signaal van de doelbiomoleculen werd versterkt door gebruik te maken van het veldeffect in grafeen (Hoofdstuk 5).\n\nHoofdstuk 2 beschrijft het gebruik van een grafeenrand langs een grafeen-nanoribbon (GNR) om ruimtelijk gelokaliseerde elektrische veldgradi\u00ebnten voor di\u00eblektroforetische verrijking te genereren. Dankzij de atomair scherpe geometrie van de grafeenrand produceert een aangelegde wisselspanning (AC) een niet-uniform elektrisch veld met een sterke veldconcentratie aan de rand. De combinatie van deze scherpe kromming en de 12 nm dikke HfO2-back-gate di\u00eblektrische laag versterkt de lokale elektrische veldgradi\u00ebnt (\u2207|E|\u00b2), die de drijvende kracht vormt voor di\u00eblektroforese. Hierdoor ondervinden polariseerbare biomoleculen een positieve di\u00eblektroforetische kracht (DEP), waardoor zij naar het gebied met de hoogste veldgradi\u00ebnt aan de grafeenrand worden getransporteerd. Door elektrochemische enting van aryldiazonium-intermediairen, gevolgd door nucleofiele substitutie op een NHS-ester, werd een met NHS ge\u00ebindigde aryllaag gevormd. Deze laag reageerde vervolgens via amidekoppeling met aminogemodificeerde DNA-probes, waardoor plaatsspecifieke immobilisatie van de probes uitsluitend aan de grafeenrand werd gerealiseerd. In combinatie met door het AC-veld ge\u00efnduceerde di\u00eblektroforeteische krachten maakten deze gefunctionaliseerde randen detectie van doel-miRNA op attomolair niveau mogelijk door diffusiebeperkte kinetiek te overwinnen.\n\nHoofdstuk 3 onderzoekt een door een polymeer gemedieerde breukmethode om grafeenranden te cre\u00ebren voor biosensortoepassingen. Hierbij werd monolaaggrafeen ingebed in een millimeterdikke epoxymatrix en mechanisch gebroken in vloeibare stikstof, zodat uitsluitend de grafeenranden werden blootgelegd terwijl het basale vlak volledig werd ingekapseld, waardoor de bijdrage van het basale vlak aan de gemeten capaciteit werd ge\u00eblimineerd. Elektrische karakterisering van de blootgestelde randen liet een karakteristiek \u2227-vormig kwantumcapaciteitsprofiel zien, met een maximum bij het Dirac-punt, in tegenstelling tot het conventionele V-vormige gedrag van het basale vlak. Dit \u2227-vormige profiel wijst op een hoge dichtheid van rand gelokaliseerde elektronische toestanden nabij het Ferminiveau, waardoor de elektrische respons op moleculaire bindingen rechtstreeks wordt versterkt en de signaalamplitude bij kleine verstoringen toeneemt. Voor moleculaire herkenning werden de randen gefunctionaliseerd via elektrochemisch-geactiveerde diazoniumzouten, waarbij NHS-estergroepen werden ge\u00efntroduceerd voor covalente immobilisatie van aminogemodificeerde DNA-probes. Met miRNA-21 als modelanalyt bereikte de sensor een sensitiviteit tot 1 fM, waarmee werd aangetoond dat de combinatie van kwantumcapaciteit aan de rand en selectieve randfunctionalisatie resulteert in een zeer gevoelig biosensorplatform.\n\nHoofdstuk 4 beschrijft de ontwikkeling van een biosensorplatform gebaseerd op meerlaags grafeenranden door gereduceerde grafeenoxidevlokken (rGO) in een keramische matrix in te bedden, waardoor een structuur ontstond met een hoge dichtheid aan toegankelijke grafeenranden. De rGO\/SiO2-poedernanocomposieten werden eerst bereid door met hexylamine ge\u00efntercaleerd GO-poeder te mengen met tetra-ethylorthosilicaat (TEOS), gevolgd door hydrolyse, filtratie, droging en calcinatie onder een stikstofatmosfeer, waarbij GO gedeeltelijk werd gereduceerd en de silicaprecursor werd omgezet in SiO2. Het verkregen poeder werd vervolgens verdicht tot bulk-nanocomposieten met behulp van spark plasma sintering bij 1350 \u00b0C onder gecontroleerde druk, zodat de basale vlakken van het grafeen volledig in de keramische matrix werden ingekapseld terwijl de randen toegankelijk bleven. De blootgestelde grafeenranden werden daarna selectief gefunctionaliseerd via reversibele elektrochemische enting van aryldiazoniumzouten. Metingen van de kwantumcapaciteit toonden aan dat de edge-enhanced graphene quantum capacitor (eGQC)-sensoren gedurende meer dan 100 opeenvolgende detectiecycli van miRNA een zeer reproduceerbare respons vertoonden, waarmee de robuustheid en reversibiliteit van deze randgebaseerde sensortoepassing werden bevestigd.\n\nIn Hoofdstuk 5 werd een organische elektrochemische transistorbiosensor ontwikkeld op basis van polyaniline (PANI) dat door monolaaggrafeen wordt overbrugd. Verticaal geori\u00ebnteerde PANI-nanosamenstellingen werden door elektropolymerisatie op een monolaaggrafeenkanaal aangebracht met behulp van een cyclisch gepulseerd spanningsprotocol (\u22120,1 V gedurende 1 s, 0,4 V gedurende 2 s en 0,8 V gedurende 0,1 s per cyclus) in een elektrolyt bestaande uit 0,1 M aniline en 1 M HClO\u2084, waarbij na 200 cycli vrijwel volledige oppervlaktedekking werd bereikt. DNA-probes complementair aan miRNA-21 werden vervolgens covalent ge\u00efmmobiliseerd op het PANI-oppervlak via door NHS-esters gemedieerde amidatie, waarna het oppervlak werd gepassiveerd met 0,05% Tween-20 om niet-specifieke adsorptie te blokkeren. De biosensor bereikte een uiterst lage detectielimiet van 1 fM voor miRNA. Deze hoge gevoeligheid is het gevolg van redoxgestuurde modulatie van PANI tijdens de hybridisatie van miRNA, waardoor de lokale protonering en gatdichtheid veranderen, terwijl de hoge ladingsdragersmobiliteit van het grafeenkanaal deze veranderingen snel omzet in een meetbaar elektrisch signaal.","summary":"Summary\n\nFabrication and Biosensing with Graphene Edges\n\nGraphene defects in the form of line and point defects are classified based on their molecular structure and evaluated with respect to their local electronic properties and chemical reactivity, with the aim of assessing their potential applicability for designing graphene-based sensors (Chapter 1). Graphene edges also form a type of line defect and were integrated into graphene field-effect transistor (GFET) biosensors for the detection of microRNA (miRNA) (Chapter 2). In this chapter, edge-dominant dielectrophoresis with graphene nanoribbon field-effect transistors was investigated to overcome fundamental limitations of diffusion and to achieve exceptionally high sensitivity. Subsequently, a millimeter-thick epoxy encapsulation of monolayer graphene and mechanical fracture were applied to construct a biosensor utilizing the characteristic quantum capacitance of monolayer graphene edges (Chapter 3). To enable reusability of edge-based sensors, a ceramic-encapsulated platform based on multilayer graphene was developed, allowing for the fabrication of a robust and reusable quantum-capacitive biosensor where only the graphene edges were functionalized (Chapter 4). Finally, an electrochemical biosensor was developed based on monolayer graphene bridging polyaniline (Gr\u2013PANI), where the electrochemical signal of the target biomolecules was amplified by utilizing the field effect in graphene (Chapter 5).\n\nChapter 2 describes the use of a graphene edge along a graphene nanoribbon (GNR) to generate spatially localized electric field gradients for dielectrophoretic enrichment. Due to the atomically sharp geometry of the graphene edge, an applied alternating voltage (AC) produces a non-uniform electric field with a strong field concentration at the edge. The combination of this sharp curvature and the 12 nm thick HfO2 back-gate dielectric layer enhances the local electric field gradient (\u2207|E|\u00b2), which is the driving force for dielectrophoresis. As a result, polarizable biomolecules experience a positive dielectrophoretic force (DEP), causing them to be transported to the region of highest field gradient at the graphene edge. Through electrochemical grafting of aryl diazonium intermediates followed by nucleophilic substitution on an NHS ester, an NHS-terminated aryl layer was formed. This layer then reacted via amide coupling with amino-modified DNA probes, achieving site-specific immobilization of the probes exclusively at the graphene edge. In combination with AC field-induced dielectrophoretic forces, these functionalized edges enabled detection of target miRNA at the attomolar level by overcoming diffusion-limited kinetics.\n\nChapter 3 investigates a polymer-mediated fracture method to create graphene edges for biosensor applications. Here, monolayer graphene was embedded in a millimeter-thick epoxy matrix and mechanically fractured in liquid nitrogen so that only the graphene edges were exposed while the basal plane was fully encapsulated, eliminating the contribution of the basal plane to the measured capacitance. Electrical characterization of the exposed edges revealed a characteristic \u2227-shaped quantum capacitance profile, with a maximum at the Dirac point, in contrast to the conventional V-shaped behavior of the basal plane. This \u2227-shaped profile indicates a high density of edge-localized electronic states near the Fermi level, which directly amplifies the electrical response to molecular binding and increases the signal amplitude under small perturbations. For molecular recognition, the edges were functionalized via electrochemically-activated diazonium salts, introducing NHS ester groups for covalent immobilization of amino-modified DNA probes. With miRNA-21 as a model analyte, the sensor reached a sensitivity down to 1 fM, demonstrating that the combination of quantum capacitance at the edge and selective edge functionalization results in a highly sensitive biosensor platform.\n\nChapter 4 describes the development of a biosensor platform based on multilayer graphene edges by embedding reduced graphene oxide (rGO) flakes in a ceramic matrix, creating a structure with a high density of accessible graphene edges. The rGO\/SiO2 powder nanocomposites were first prepared by mixing hexylamine-intercalated GO powder with tetra-ethyl orthosilicate (TEOS), followed by hydrolysis, filtration, drying, and calcination under a nitrogen atmosphere, where GO was partially reduced and the silica precursor was converted to SiO2. The resulting powder was then densified into bulk nanocomposites using spark plasma sintering at 1350 \u00b0C under controlled pressure, so that the basal planes of the graphene were fully encapsulated in the ceramic matrix while the edges remained accessible. The exposed graphene edges were then selectively functionalized via reversible electrochemical grafting of aryl diazonium salts. Quantum capacitance measurements showed that the edge-enhanced graphene quantum capacitor (eGQC) sensors exhibited a highly reproducible response over 100 consecutive miRNA detection cycles, confirming the robustness and reversibility of this edge-based sensor application.\n\nIn Chapter 5, an organic electrochemical transistor biosensor was developed based on polyaniline (PANI) bridged by monolayer graphene. Vertically oriented PANI nanoarrays were applied to a monolayer graphene channel by electropolymerization using a cyclic pulsed voltage protocol (\u22120.1 V for 1 s, 0.4 V for 2 s, and 0.8 V for 0.1 s per cycle) in an electrolyte consisting of 0.1 M aniline and 1 M HClO\u2084, achieving near-complete surface coverage after 200 cycles. DNA probes complementary to miRNA-21 were then covalently immobilized on the PANI surface via NHS ester-mediated amidation, after which the surface was passivated with 0.05% Tween-20 to block non-specific adsorption. The biosensor achieved an extremely low detection limit of 1 fM for miRNA. This high sensitivity is the result of redox-driven modulation of PANI during miRNA hybridization, which changes local protonation and hole density, while the high charge carrier mobility of the graphene channel rapidly converts these changes into a measurable electrical signal.","auteur":"Jianwei Gao","auteur_slug":"jianwei-gao","publicatiedatum":"16 september 2026","taal":"NL","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/jianweigao?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/c5abd7eb-1af7-4ed7-87d6-70067637b7d2\/highres","url_epub":"","ordernummer":"19428","isbn":"","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Universiteit Leiden","afbeeldingen":16845,"video_url":"","podcast_url":"","naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Universiteit Leiden","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16843","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=16843"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16843\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":16846,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16843\/revisions\/16846"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/16844"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=16843"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=16843"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}