JP2024055954A - Polar fluid-gated field-effect devices - Google Patents
Polar fluid-gated field-effect devices Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024055954A JP2024055954A JP2024031345A JP2024031345A JP2024055954A JP 2024055954 A JP2024055954 A JP 2024055954A JP 2024031345 A JP2024031345 A JP 2024031345A JP 2024031345 A JP2024031345 A JP 2024031345A JP 2024055954 A JP2024055954 A JP 2024055954A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- glucose
- polar
- concentration
- graphene
- gfet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 title abstract description 61
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 112
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 92
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 abstract description 81
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 33
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 121
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 114
- 230000004044 response Effects 0.000 description 98
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 80
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 75
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 65
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 61
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 59
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M Lactate Chemical compound CC(O)C([O-])=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 42
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 41
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 40
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 37
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 35
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 29
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 29
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 25
- 108020003175 receptors Proteins 0.000 description 24
- 102000005962 receptors Human genes 0.000 description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 23
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 21
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 21
- MWEKPLLMFXIZOC-UHFFFAOYSA-N pyren-1-ylboronic acid Chemical compound C1=C2C(B(O)O)=CC=C(C=C3)C2=C2C3=CC=CC2=C1 MWEKPLLMFXIZOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 19
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 18
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 12
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 11
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 10
- 108020004682 Single-Stranded DNA Proteins 0.000 description 10
- 108091023037 Aptamer Proteins 0.000 description 9
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 9
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 9
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 9
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N cholesterol Chemical compound C1C=C2C[C@@H](O)CC[C@]2(C)[C@@H]2[C@@H]1[C@@H]1CC[C@H]([C@H](C)CCCC(C)C)[C@@]1(C)CC2 HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N 0.000 description 8
- JYGXADMDTFJGBT-VWUMJDOOSA-N hydrocortisone Chemical compound O=C1CC[C@]2(C)[C@H]3[C@@H](O)C[C@](C)([C@@](CC4)(O)C(=O)CO)[C@@H]4[C@@H]3CCC2=C1 JYGXADMDTFJGBT-VWUMJDOOSA-N 0.000 description 8
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 8
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 8
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 7
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 7
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 7
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 6
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 5
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 5
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 5
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 5
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 5
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 5
- QHAXDWSSXNJXCP-UHFFFAOYSA-N 1-hydroxypyrrolidine-2,5-dione pyrene Chemical compound ON1C(=O)CCC1=O.c1cc2ccc3cccc4ccc(c1)c2c34 QHAXDWSSXNJXCP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LLYXJBROWQDVMI-UHFFFAOYSA-N 2-chloro-4-nitrotoluene Chemical compound CC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1Cl LLYXJBROWQDVMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 4
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 206010050337 Cerumen impaction Diseases 0.000 description 4
- 102000004127 Cytokines Human genes 0.000 description 4
- 108090000695 Cytokines Proteins 0.000 description 4
- 101001012157 Homo sapiens Receptor tyrosine-protein kinase erbB-2 Proteins 0.000 description 4
- 108010073450 Lactate 2-monooxygenase Proteins 0.000 description 4
- 102100030086 Receptor tyrosine-protein kinase erbB-2 Human genes 0.000 description 4
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 4
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 4
- 210000002939 cerumen Anatomy 0.000 description 4
- 235000012000 cholesterol Nutrition 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 4
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 4
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 4
- 229960000890 hydrocortisone Drugs 0.000 description 4
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 description 4
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 4
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 4
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 4
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 4
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 4
- 210000000582 semen Anatomy 0.000 description 4
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 4
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 4
- 210000000106 sweat gland Anatomy 0.000 description 4
- 238000012549 training Methods 0.000 description 4
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 4
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 4
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 4
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 4
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- GUBGYTABKSRVRQ-QKKXKWKRSA-N Lactose Natural products OC[C@H]1O[C@@H](O[C@H]2[C@H](O)[C@@H](O)C(O)O[C@@H]2CO)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O GUBGYTABKSRVRQ-QKKXKWKRSA-N 0.000 description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 3
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 3
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000008101 lactose Substances 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 3
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 3
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 108091032973 (ribonucleotides)n+m Proteins 0.000 description 2
- 102000004889 Interleukin-6 Human genes 0.000 description 2
- 108090001005 Interleukin-6 Proteins 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- -1 biomolecules Substances 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- NOESYZHRGYRDHS-UHFFFAOYSA-N insulin Chemical compound N1C(=O)C(NC(=O)C(CCC(N)=O)NC(=O)C(CCC(O)=O)NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(NC(=O)CN)C(C)CC)CSSCC(C(NC(CO)C(=O)NC(CC(C)C)C(=O)NC(CC=2C=CC(O)=CC=2)C(=O)NC(CCC(N)=O)C(=O)NC(CC(C)C)C(=O)NC(CCC(O)=O)C(=O)NC(CC(N)=O)C(=O)NC(CC=2C=CC(O)=CC=2)C(=O)NC(CSSCC(NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(CC=2C=CC(O)=CC=2)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(C)NC(=O)C(CCC(O)=O)NC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(CC=2NC=NC=2)NC(=O)C(CO)NC(=O)CNC2=O)C(=O)NCC(=O)NC(CCC(O)=O)C(=O)NC(CCCNC(N)=N)C(=O)NCC(=O)NC(CC=3C=CC=CC=3)C(=O)NC(CC=3C=CC=CC=3)C(=O)NC(CC=3C=CC(O)=CC=3)C(=O)NC(C(C)O)C(=O)N3C(CCC3)C(=O)NC(CCCCN)C(=O)NC(C)C(O)=O)C(=O)NC(CC(N)=O)C(O)=O)=O)NC(=O)C(C(C)CC)NC(=O)C(CO)NC(=O)C(C(C)O)NC(=O)C1CSSCC2NC(=O)C(CC(C)C)NC(=O)C(NC(=O)C(CCC(N)=O)NC(=O)C(CC(N)=O)NC(=O)C(NC(=O)C(N)CC=1C=CC=CC=1)C(C)C)CC1=CN=CN1 NOESYZHRGYRDHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 2
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000003826 tablet Substances 0.000 description 2
- 150000003722 vitamin derivatives Chemical class 0.000 description 2
- GUBGYTABKSRVRQ-XLOQQCSPSA-N Alpha-Lactose Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1O[C@@H]1[C@@H](CO)O[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O GUBGYTABKSRVRQ-XLOQQCSPSA-N 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000927 Ge alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010021036 Hyponatraemia Diseases 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000004877 Insulin Human genes 0.000 description 1
- 108090001061 Insulin Proteins 0.000 description 1
- 208000032366 Oversensing Diseases 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- DBDNZCBRIPTLJF-UHFFFAOYSA-N boron(1-) monohydride Chemical compound [BH-] DBDNZCBRIPTLJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229940125396 insulin Drugs 0.000 description 1
- 238000011898 label-free detection Methods 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013642 negative control Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NMHMNPHRMNGLLB-UHFFFAOYSA-N phloretic acid Chemical compound OC(=O)CCC1=CC=C(O)C=C1 NMHMNPHRMNGLLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036314 physical performance Effects 0.000 description 1
- 230000037074 physically active Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920003223 poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000010963 scalable process Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4146—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
- G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54353—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals with ligand attached to the carrier via a chemical coupling agent
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
- G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
- G01N33/5438—Electrodes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
- G01N33/6803—General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
- G01N33/6845—Methods of identifying protein-protein interactions in protein mixtures
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
【課題】 デバイスを提供すること
【解決手段】 本件明細書には、ナノスケール電界効果トランジスタ(NFET)、例えば、物理的ゲートを持たない、グラフェンベース電界効果トランジスタ(GFET)が開示されているものである。物理的ゲートに代わって、それらの電界効果トランジスタは、極性流体によってゲート化される。そのようなトランジスタを使用するシステム、および方法も開示されている。一態様では、電界効果トランジスタが本明細書に開示されているものである。
【選択図】 図4A
Disclosed herein are nanoscale field effect transistors (NFETs), e.g., graphene-based field effect transistors (GFETs), that do not have a physical gate. Instead of a physical gate, the field effect transistors are gated by a polar fluid. Systems and methods using such transistors are also disclosed. In one aspect, a field effect transistor is disclosed herein.
[Selected Figure] Figure 4A
Description
関連出願への相互参照
本出願は、2016年6月30日に出願された”DETECTION OF IONIC CONCENTRATION IN FLUID USING NANOSCALE
MATERIALS VIA A CAPACITIVE RESPONSE”と題する米国仮特許出願番号第62/356,729号、および2016年6月30日に出願された”LACTATE-OXIDASE-FUNCTIONALIZED GRAPHENE POLYMER COMPOSITES FOR LABEL-FREE DETECTION OF LACTATE IN SWEAT AND OTHER BODILY FLUIDS”と題する米国仮特許出願番号第62/356,742号に基づく優先権を主張しており、これら仮特許出願の各々は、その全体が、本明細書によって参考として本明細書中に援用される。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is related to “DETECTION OF IONIC CONCENTRATION IN FLUID USING NANOSCALE”, filed on June 30, 2016.
No. 62/356,729, filed Jun. 30, 2016, entitled "LABEL-FREE DETECTION OF LACTATE IN SWEAT AND OTHER BODILY FLUIDS," each of which is hereby incorporated by reference in its entirety.
発明の分野
本明細書に開示される本発明は、一般に、極性流体によってゲート化されたナノスケール電界効果トランジスタ(NFET)、特にグラフェン電界効果トランジスタ(GFET)の、設計、作製、および適用に関する。本開示は、一般に、電界効果トランジスタを使用した化学的および生物学的感知にも関し、より詳細には、グラフェンを含む生化学的に感受性のあるチャネルを備えた電界効果トランジスタを使用した、生化学的感知にも関する。
FIELD OF THEINVENTION The inventions disclosed herein generally relate to the design, fabrication, and application of nanoscale field effect transistors (NFETs), particularly graphene field effect transistors (GFETs), gated by polar fluids. The disclosure also relates generally to chemical and biological sensing using field effect transistors, and more particularly to biochemical sensing using field effect transistors with biochemically sensitive channels that include graphene.
背景
電界効果トランジスタ(FET)は、デバイスの電気的挙動を制御するのに電界を使用するトランジスタである。一般に、FETは、3個の端子(例えば、ソース、ドレイン、およびゲート)と、アクティブチャネルとを有する。例えば半導体材料によって形成されたアクティブチャネルを通して、電荷担体(電子または正孔)はソースからドレインに流れる。
Background A field effect transistor (FET) is a transistor that uses an electric field to control the electrical behavior of the device. In general, a FET has three terminals (e.g., a source, a drain, and a gate) and an active channel through which charge carriers (electrons or holes) flow from the source to the drain, for example through an active channel formed by a semiconductor material.
ソース(S)は、担体がチャネルに進入する場所である。ドレイン(D)は、担体がチャネルから離れる場所である。ドレイン-ソース間電圧はVDSであり、ソース-ドレイン間電流はIDSである。ゲート(G)は、ソースとドレインとの間の電流が制御されるようにゲート電圧(VG)を印加することによって、チャネル伝導度を変調させる。 The source (S) is where carriers enter the channel. The drain (D) is where carriers leave the channel. The drain-to-source voltage is VDS and the source-to-drain current is IDS. The gate (G) modulates the channel conductivity by applying a gate voltage (VG) so that the current between the source and drain is controlled.
グラフェン電界効果トランジスタ(GFET)などのナノスケール電界効果トランジスタ(NFET)は、バイオプローブ、インプラント、および同様のものなどの数多くの適用例で広く使用される。 Nanoscale field effect transistors (NFETs), such as graphene field effect transistors (GFETs), are widely used in numerous applications such as bioprobes, implants, and the like.
当分野で必要とされるのは、FETのより良好な設計と、それを使用する新しい方法である。 What is needed in the art are better designs for FETs and new ways to use them.
一態様では、電界効果トランジスタが本明細書に開示される。電界効果トランジスタは、ドレイン電極と、ドレイン電極と、ソース電極と、電気絶縁基板と、基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを部分的に画定するナノスケール材料層であり、ナノスケール材料層および前記チャネルが、ドレイン電極およびソース電極の間に延在
しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子と
を含む。一部の実施形態では、極性流体は、標的分析物を含む。一部の実施形態では、極性流体は、標的分析物に応答して電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する。
In one aspect, a field effect transistor is disclosed herein. The field effect transistor includes a drain electrode, a drain electrode, a source electrode, an electrically insulating substrate, a nanoscale material layer disposed on the substrate and partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and said channel extending between and electrically connected to the drain electrode and the source electrode, and a polar fluid-induced gate terminal created by a polar fluid exposed to the nanoscale material layer. In some embodiments, the polar fluid includes a target analyte. In some embodiments, the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes the gate voltage vs. channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.
一部の実施形態では、定電流または定電圧は、定電流ソースまたは定電圧ソースによって提供され、ソース電極およびドレイン電極の間に印加される。 In some embodiments, the constant current or voltage is provided by a constant current source or a constant voltage source and is applied between the source and drain electrodes.
一部の実施形態では、ナノスケール材料は、グラフェン、CNT、MoS2、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド、ホスホレン、ナノ粒子、量子ドット、フラーレン、2Dナノスケール材料、3Dナノスケール材料、0Dナノスケール材料、1Dナノスケール材料、またはこれらの任意の組合せを含む。 In some embodiments, the nanoscale material comprises graphene, CNT, MoS2 , boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.
一部の実施形態では、極性流体は、極性分子を有する溶液、極性分子を有する気体、標的感知分析物、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the polar fluid comprises a solution having polar molecules, a gas having polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
一部の実施形態では、極性流体が、汗、息、唾液、耳垢、尿、精液、血漿、生物流体、化学流体、空気試料、気体試料、またはこれらの組合せを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。 In some embodiments, the field effect transistor of any one of claims 1 to 4, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, blood plasma, a biological fluid, a chemical fluid, an air sample, a gas sample, or a combination thereof.
一部の実施形態では、標的分析物は、電解質、グルコース、乳酸、IL6、サイトカイン、HER2、コルチゾール、ZAG、コレステロール、ビタミン、タンパク質、薬物分子、代謝物、ペプチド、アミノ酸、DNA、RNA、アプタマー、酵素、生体分子、化学分子、合成分子、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the target analyte comprises an electrolyte, glucose, lactate, IL6, cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, enzymes, biomolecules, chemical molecules, synthetic molecules, or combinations thereof.
一部の実施形態では、電界効果トランジスタは、ナノスケール材料層上に堆積されたレセプタ層であって、標的分析物を標的とするレセプタを含むレセプタ層をさらに含む。 In some embodiments, the field effect transistor further includes a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer including a receptor that targets the target analyte.
一部の実施形態では、レセプタは、ピレンボロン酸(PBA)、ピレンN-ヒドロキシスクシンイミドエステル(ピレン-NHS)、有機化学物質、芳香族分子、環状分子、酵素、タンパク質、抗体、ウイルス、一本鎖DNA(ssDNA)、アプタマー、無機材料、合成分子、生体分子を含む。 In some embodiments, the receptor includes pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, and biomolecules.
一部の実施形態では、電界効果トランジスタは、さらなる機械的、電気的、化学的、生物学的機能性、またはこれらの組合せの支持をもたらすためにナノスケール材料層の下に裏面ポリマー層をさらに含む。 In some embodiments, the field effect transistor further comprises a backside polymer layer below the nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or a combination thereof.
一部の実施形態では、裏面ポリマー層は:炭素ポリマー、バイオポリマー、PMMA、PDMS、フレキシブルガラス、ナノスケール材料、シリカゲル、シリコーン、インク、印刷ポリマー、またはこれらの任意の組合せを含む。 In some embodiments, the backside polymer layer includes: carbon polymer, biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale material, silica gel, silicone, ink, printed polymer, or any combination thereof.
一態様では、本明細書には、極性流体中の標的分析物を感知するための方法が開示される。この方法は、極性流体試料を電界効果トランジスタに曝露するステップであって、電界効果トランジスタが、ドレイン電極と;ソース電極と;電気絶縁基板と;基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを少なくとも部分的に画定するナノスケール材料層であり、ナノスケール材料層およびチャネルが、ドレイン電極とソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されている、ナノスケール材料層と;ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子であり、極性流体が、標的分析物を含みかつ分析物を検出するために電界効果トランジスタのゲート電
圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、極性流体誘起ゲート端子とを含むステップ;第1の時点で第1のソース-ドレイン電圧を、第2およびその後の時点で第2のソース-ドレイン電圧を測定するステップ;ならびに第1および第2のソース-ドレイン電圧に基づいて極性流体中の標的分析物の濃度を決定するステップを含む。
In one aspect, disclosed herein is a method for sensing a target analyte in a polar fluid, the method including exposing a polar fluid sample to a field effect transistor including a drain electrode, a source electrode, an electrically insulating substrate, a nanoscale material layer disposed on the substrate and at least partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between and electrically connected to a drain electrode and a source electrode, and a polar fluid-induced gating terminal created by a polar fluid exposed to the nanoscale material layer, the polar fluid including the target analyte and having a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gating voltage that optimizes a gate voltage versus channel current characteristic of the field effect transistor for detecting the analyte, measuring a first source-drain voltage at a first time point and a second source-drain voltage at a second and subsequent time point, and determining a concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first and second source-drain voltages.
一部の実施形態では、ナノスケール材料は、グラフェン、CNT、MoS2、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド、ホスホレン、ナノ粒子、量子ドット、フラーレン、2Dナノスケール材料、3Dナノスケール材料、0Dナノスケール材料、1Dナノスケール材料、またはこれらの任意の組合せを含む。 In some embodiments, the nanoscale material includes graphene, CNT, MoS2, boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.
一部の実施形態では、電界効果トランジスタは、ナノスケール材料層上に堆積されたレセプタ層で機能化され、レセプタ層は、標的分析物を標的とするレセプタを含む。 In some embodiments, the field effect transistor is functionalized with a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer including a receptor that targets a target analyte.
一部の実施形態では、レセプタは、ピレンボロン酸(PBA)、ピレンN-ヒドロキシスクシンイミドエステル(ピレン-NHS)、有機化学物質、芳香族分子、環状分子、酵素、タンパク質、抗体、ウイルス、一本鎖DNA(ssDNA)、アプタマー、無機材料、合成分子、生体分子を含む。 In some embodiments, the receptor includes pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, and biomolecules.
一部の実施形態では、標的分析物は、電解質、グルコース、乳酸、IL6、サイトカイン、HER2、コルチゾール、ZAG、コレステロール、ビタミン、タンパク質、薬物分子、代謝物、ペプチド、アミノ酸、DNA、RNA、アプタマー、酵素、生体分子、化学分子、合成分子、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the target analyte comprises an electrolyte, glucose, lactate, IL6, cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, enzymes, biomolecules, chemical molecules, synthetic molecules, or combinations thereof.
一部の実施形態では、極性流体は、極性分子を含む溶液、極性分子を含む気体、標的感知分析物、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the polar fluid comprises a solution containing polar molecules, a gas containing polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
一部の実施形態では、方法は、第1および第2のソース-ドレイン電圧の間の分数変化率を計算するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method further includes calculating a fractional rate of change between the first and second source-drain voltages.
一部の実施形態では、方法は、電界効果トランジスタのソース電極およびドレイン電極の間に定電流を印加するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method further includes applying a constant current between a source electrode and a drain electrode of the field effect transistor.
一部の実施形態では、方法は、電界効果トランジスタのソース電極およびドレイン電極の間に定電圧を印加するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method further includes applying a constant voltage between the source and drain electrodes of the field effect transistor.
一部の実施形態では、極性流体は、汗、息、唾液、耳垢、尿、精液、血漿、生物流体、化学流体、空気試料、気体試料、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof.
一部の実施形態では、方法は、さらなる機械的、電気的、化学的、生物学的機能性、またはこれらの組合せの支持をもたらすためにナノスケール材料の下に裏面ポリマー層をさらに含む。 In some embodiments, the method further includes a backside polymer layer beneath the nanoscale material to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or a combination thereof.
一部の実施形態では、裏面ポリマー層は、炭素ポリマー、バイオポリマー、PMMA、PDMS、フレキシブルガラス、ナノスケール材料、シリカゲル、シリコーン、インク、印刷ポリマー、またはこれらの任意の組合せを含む。 In some embodiments, the backside polymer layer comprises a carbon polymer, a biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, a nanoscale material, a silica gel, a silicone, an ink, a printed polymer, or any combination thereof.
一態様では、本明細書には、電界効果トランジスタ、および下記を含むシステムが開示される。 In one aspect, the present specification discloses a field effect transistor and a system that includes:
電界効果トランジスタに電気接続される定電流ソースまたは定電圧ソース。電界効果トランジスタは、ドレイン電極と;ソース電極と;電気絶縁基板と;基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを少なくとも部分的に画定するナノスケール材料層であり、ナノスケール材料層およびチャネルが、ドレイン電極とソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されている、ナノスケール材料層と;ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子とを含む。一部の実施形態では、極性流体は、標的分析物を含む。一部の実施形態では、極性流体は、標的分析物に応答して電界効果トランジスタのチャネル電流特性に対してゲート電圧を最適化させる、極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する。 A constant current or voltage source electrically connected to a field effect transistor. The field effect transistor includes a drain electrode; a source electrode; an electrically insulating substrate; a nanoscale material layer disposed on the substrate and at least partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between and electrically connected to the drain and source electrodes; and a polar fluid-induced gate terminal created by a polar fluid exposed to the nanoscale material layer. In some embodiments, the polar fluid includes a target analyte. In some embodiments, the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes the gate voltage for the channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.
一部の実施形態では、定電流ソースは、電界効果トランジスタを通して定電流を維持する。 In some embodiments, the constant current source maintains a constant current through a field effect transistor.
一部の実施形態では、定電圧ソースは、電界効果トランジスタ上を経て定電圧を維持する。 In some embodiments, a constant voltage source maintains a constant voltage across a field effect transistor.
一部の実施形態では、電圧出力または電流出力は、有線または無線伝送を通してデジタルプラットフォームに伝達される。 In some embodiments, the voltage or current output is transmitted to a digital platform via wired or wireless transmission.
一部の実施形態では、デジタルプラットフォームは、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートウォッチ、車内エンターテイメントシステム、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータ端末、テレビジョンシステム、電子ブックリーダ、ウェアラブルデバイス、またはデジタル入力を処理する任意のその他のタイプのコンピューティングデバイスを含む。 In some embodiments, the digital platform includes a smartphone, a tablet computer, a smartwatch, an in-car entertainment system, a laptop computer, a desktop computer, a computer terminal, a television system, an e-book reader, a wearable device, or any other type of computing device that processes digital input.
当業者に公知のように、本明細書に開示される任意の実施形態は、単独でまたは他の実施形態と組み合わせて、本発明の任意の態様と併せて使用することができる。 As known to one of ordinary skill in the art, any embodiment disclosed herein may be used in conjunction with any aspect of the present invention, either alone or in combination with other embodiments.
当業者なら、以下に示す図面は単なる例示を目的とすることが理解されよう。図面は、本発明の教示の範囲を限定することを意図するものではない。 Those skilled in the art will appreciate that the drawings provided below are for illustrative purposes only. The drawings are not intended to limit the scope of the teachings of the present invention.
発明の詳細な説明
本明細書には、ナノスケール電界効果トランジスタと、それを作製し使用する方法が開示される。
一般的なグラフェン電界効果トランジスタ
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Disclosed herein are nanoscale field effect transistors and methods for making and using same.
A typical graphene field-effect transistor
グラフェンは顕著な機械抵抗を保有し、このことにより、単層または二重層程度の厚さを、その主たる電気的性質を失うことなくかなりの機械応力に供することが可能になる。そのような機械強度は、グラフェンを、インジウムスズ酸化物(ITO)によりもたらされた透明伝導性酸化物(TCO)の電流発生の代わりになる理想的な候補にする。グラフェンとは異なって、ITOは、脆くかつ機械応力を受け易く;しかしその低いシート抵抗および高い透明度は、その高い材料コストを相殺するのに十分である。一方、大面積および低シート抵抗のグラフェンシートの生成は、化学気相成長(CVD)を使用する比較的単純で拡張性あるプロセスであり、適正な処理後に、90%よりも高い透明度および100よりも低いシート抵抗を持つ少数の原子層をもたらす。 Graphene possesses remarkable mechanical resistance, which allows it to be subjected to considerable mechanical stresses at thicknesses of the order of monolayers or bilayers without losing its primary electrical properties. Such mechanical strength makes graphene an ideal candidate to replace the current generation of transparent conductive oxides (TCOs) offered by indium tin oxide (ITO). Unlike graphene, ITO is brittle and susceptible to mechanical stresses; however, its low sheet resistance and high transparency are sufficient to offset its high material cost. On the other hand, the production of large-area and low-sheet-resistance graphene sheets is a relatively simple and scalable process using chemical vapor deposition (CVD), which, after proper processing, results in a few atomic layers with transparency higher than 90% and sheet resistance lower than 100.
図1Aに図示されるように、グラフェンFETは一般に、SiO2層で覆われたSiウエハ上に製作され、グラフェンはトランジスタチャネルを形成する。グラフェントランジスタは、3つの端子、グラフェンチャネルに接触するソースおよびドレイン金属電極と、ドープSi基板により動作可能になるグローバルバックゲートからなる。これらの特徴は、Grat-FETにおけるグラフェンの特徴的両極性輸送挙動を容易にし-基板で適正なゲート電圧によりバイアスされたときにn型およびp型の両方の輸送を実現する。任意の適用可能な方法は、例えば参照によりその全体が本明細書に組み込まれる国際特許公開
番号WO2015/164,552に開示された情報も含め、GFETを製作するのに適用することができる。
As illustrated in FIG. 1A, graphene FETs are typically fabricated on a Si wafer covered with a SiO2 layer, with graphene forming the transistor channel. A graphene transistor consists of three terminals, source and drain metal electrodes that contact the graphene channel, and a global backgate enabled by a doped Si substrate. These features facilitate the characteristic ambipolar transport behavior of graphene in Grat-FETs—achieving both n-type and p-type transport when biased with the proper gate voltage at the substrate. Any applicable method can be applied to fabricate GFETs, including, for example, the information disclosed in International Patent Publication No. WO 2015/164,552, which is incorporated herein by reference in its entirety.
図1Bは、ゲート電圧により制御されたときのソースとドレインとの間の電流を例示する。ゲート電圧の方向および大きさを変化させることにより、ソースとドレインとの間に得られる電流の曲線は、「V」字形をとる。V字形曲線の先端でのゲート電圧の小さい変化は、チャネル電流(IDS)に、有意で検出可能な変化をもたらし、V字形曲線の2つの端点で平坦になっていく傾向にある。
ゲートレス電界効果トランジスタ
1B illustrates the current between the source and drain as controlled by the gate voltage. By changing the direction and magnitude of the gate voltage, the resulting current curve between the source and drain takes on a "V" shape. Small changes in the gate voltage at the extremities of the V-shaped curve result in significant and detectable changes in the channel current (I DS ), which tends to flatten out at the two endpoints of the V-shaped curve.
Gateless Field-Effect Transistor
一態様では、本明細書には、物理的ゲートを持たない新しいタイプの電界効果トランジスタ(FET)が開示される。 In one aspect, the present specification discloses a new type of field effect transistor (FET) that does not have a physical gate.
図2Aから2Dまでは、物理的ゲートを持たないFETの様々な実施形態を図示する。図2Aは、基板1、ソース電極2、ドレイン電極3、レセプタ4、グラフェン層5、および裏面ポリマー6を含む、例示的なグラフェンベースFET210を図示する。本明細書に開示されるように、基板1は、ポリアミド、PET、PDMS、PMMA、その他のプラスチック、二酸化ケイ素、ケイ素、ガラス、酸化アルミニウム、サファイア、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、ケイ素とゲルマニウムとの合金、布地、織物、絹、紙、セルロースをベースにした材料、絶縁体、金属、半導体であり得、剛性の、可撓性の、またはこれらの任意の組合せとすることができる。一部の実施形態では、基板1を炭化ケイ素基板とすることができ、グラフェン層5は、炭化ケイ素基板からのケイ素の昇華によって直接、炭化ケイ素基板上にエピタキシャル成長させることができる(図2B)。 2A through 2D illustrate various embodiments of FETs without a physical gate. FIG. 2A illustrates an exemplary graphene-based FET 210, including a substrate 1, a source electrode 2, a drain electrode 3, a receptor 4, a graphene layer 5, and a backside polymer 6. As disclosed herein, the substrate 1 can be polyamide, PET, PDMS, PMMA, other plastics, silicon dioxide, silicon, glass, aluminum oxide, sapphire, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, alloys of silicon and germanium, fabrics, textiles, silk, paper, cellulose-based materials, insulators, metals, semiconductors, and can be rigid, flexible, or any combination thereof. In some embodiments, the substrate 1 can be a silicon carbide substrate, and the graphene layer 5 can be epitaxially grown directly on the silicon carbide substrate by sublimation of silicon from the silicon carbide substrate (FIG. 2B).
ソース電極2は、電界効果トランジスタの電極領域であり、そこから大多数の担体が電極間伝導性チャネルに流入する。ソース電極として使用することができる例示的な材料には、銀、金、炭素、グラファイトインク、伝導性の布地、伝導性の織物、金属、伝導性材料、伝導性ポリマー、伝導性ゲル、イオン性ゲル、伝導性インク、非金属伝導性材料が含まれるが、これらに限定するものではない。 The source electrode 2 is the electrode region of the field effect transistor from which the majority of carriers flow into the interelectrode conductive channel. Exemplary materials that can be used as the source electrode include, but are not limited to, silver, gold, carbon, graphite ink, conductive fabrics, conductive textiles, metals, conductive materials, conductive polymers, conductive gels, ionic gels, conductive inks, and non-metallic conductive materials.
ドレイン電極3は、ソース電極2の対向する側にある電極である。ソース電極として使用することができる例示的な材料には、銀、金、炭素、グラファイトインク、伝導性の布地、伝導性の織物、金属、伝導性材料、伝導性ポリマー、伝導性ゲル、イオン性ゲル、伝導性インク、非金属伝導性材料が含まれるが、これらに限定するものではない。 The drain electrode 3 is an electrode on the opposite side of the source electrode 2. Exemplary materials that can be used as the source electrode include, but are not limited to, silver, gold, carbon, graphite ink, conductive fabrics, conductive textiles, metals, conductive materials, conductive polymers, conductive gels, ionic gels, conductive inks, and non-metallic conductive materials.
一部の実施形態では、グラフェン層5は、均一な厚さ、好ましくは所定の厚さの、グラフェンの1つまたは複数の単層を有することができる。厚さは、電気的性質、例えばバンドギャップ、担体濃度などをもたらすので、均一で好ましくは所定の厚さは、感知性質の制御を提供し、個々のセンサ間のばらつきが少ない再現性あるデバイスの形成を可能にする。 In some embodiments, the graphene layer 5 can have one or more monolayers of graphene of uniform, preferably predetermined, thickness. Since thickness affects electrical properties, e.g., band gap, carrier concentration, etc., a uniform, preferably predetermined, thickness provides control over sensing properties and allows for the formation of reproducible devices with less variability between individual sensors.
一部の実施形態では、グラフェン層5をエピタキシャル層とすることができ、グラフェン層の基板は、その上にグラフェン層をエピタキシャル成長させた基板であってもよい。グラフェン層を成長の基板上に残すことにより、典型的にはナノの薄さのグラフェン層および構造を必ずしも取り扱う必要はない。トランジスタの製造中に薄いグラフェン層に損傷を与えるリスクも、グラフェン層を基板上に残すことができる場合には低減される。 In some embodiments, the graphene layer 5 may be an epitaxial layer, and the substrate of the graphene layer may be the substrate on which the graphene layer is epitaxially grown. By leaving the graphene layer on the substrate of growth, the typically nano-thin graphene layers and structures do not necessarily have to be handled. The risk of damaging the thin graphene layer during transistor fabrication is also reduced if the graphene layer can be left on the substrate.
一部の実施形態では、グラフェン層5は、選択されたタイプの分析物のみがグラフェン層によって検出されるように、選択性に関してレセプタ4で表面処理することができる。
例示的なレセプタ4には、ピレンボロン酸(PBA)、N-ヒドロキシスクシンイミドエステル(ピレン-NHS)、有機化学物質、芳香族分子、環状分子、酵素、タンパク質、抗体、ウイルス、一本鎖DNA(ssDNA)、アプタマー、無機材料、合成分子、生体分子が含まれるが、これらに限定するものではない。
In some embodiments, the graphene layer 5 can be surface treated with receptors 4 for selectivity, such that only selected types of analytes are detected by the graphene layer.
Exemplary receptors 4 include, but are not limited to, pyrene boronic acid (PBA), N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, and biomolecules.
一部の実施形態では、グラフェン層5および/または、したがってある特定のタイプの化学物質は、化学感受性チャネルに到達するのが防止される。表面処理は、金属粒子および/またはポリマーの堆積を含んでもよい。 In some embodiments, the graphene layer 5 and/or therefore certain types of chemicals are prevented from reaching the chemically sensitive channels. Surface treatments may include deposition of metal particles and/or polymers.
裏面ポリマー6は、機械的支持をグラフェンに対して行うために使用される。また、ドープされたときに、感知応答に対して新しいモダリティを付加することができる。例えば、裏面ポリマーには、特定の標的に結合することもでき、かつトランジスタチャネルの抵抗変化に関与することができる、生体分子をドープすることができる。 The backside polymer 6 is used to provide mechanical support to the graphene and, when doped, can add new modalities to the sensing response. For example, the backside polymer can be doped with biomolecules that can both bind to specific targets and participate in the resistance change of the transistor channel.
デバイス220、230、および240は、デバイス210の変形例である。デバイス220では、裏面ポリマー層6は省略されている。デバイス230では、レセプタ層4が省略されている。デバイス240では、裏面ポリマー層6とレセプタ層4の両方が省略されている。 Devices 220, 230, and 240 are variations of device 210. In device 220, the backside polymer layer 6 is omitted. In device 230, the receptor layer 4 is omitted. In device 240, both the backside polymer layer 6 and the receptor layer 4 are omitted.
本明細書に開示されるように、デバイスまたはベースデバイスは、デバイス210、220、230、および240のいずれかにすることができる。
極性流体ゲート端子(PFGT)
As disclosed herein, the device or base device can be any of devices 210 , 220 , 230 , and 240 .
Polar Fluid Gate Terminal (PFGT)
グラフェンは、二次元の原子規模の六角格子の形をとりその1つの原子が各頂点を形成する、炭素の同素体である。これは、グラファイト、木炭、カーボンナノチューブ、およびフラーレンを含む、その他の同素体の基本的な構造要素である。それは、無限に大きい芳香族分子として、平坦な多環式芳香族炭化水素のファミリーの最終的な場合と考えることができる。一部の実施形態では、グラフェンは、炭素原子の単層である。グラフェン中の各炭素原子は、4個の電子を有する。これらの電子の3個を通して、炭素原子は3個の最近接する炭素原子に結合して、六角格子を形成する。原子ごとに、全グラフェン層上で4個の電子が非局在化し、電子流の伝導が可能になる。 Graphene is an allotrope of carbon that takes the form of a two-dimensional atomic-scale hexagonal lattice with one atom forming each vertex. It is the basic structural element of other allotropes, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. It can be thought of as the ultimate case of a family of flat polycyclic aromatic hydrocarbons, an infinitely large aromatic molecule. In some embodiments, graphene is a single layer of carbon atoms. Each carbon atom in graphene has four electrons. Through three of these electrons, the carbon atom is bonded to its three nearest neighbors to form a hexagonal lattice. For each atom, the four electrons are delocalized on the entire graphene layer, allowing the conduction of electron flow.
極性流体がグラフェン層上に堆積されるとき、グラフェンの特別の電子特性は、極性流体中での電荷の再編成を引き起こして液体誘起ゲート電圧を形成することになり、ソース電極およびドレイン電極間の電流を変調させることができる。 When a polar fluid is deposited on the graphene layer, the special electronic properties of graphene can cause charge reorganization in the polar fluid to form a liquid-induced gate voltage that can modulate the current between the source and drain electrodes.
図3Aは、極性流体が運動していない極性流体ゲート端子を示す、例示的な実施形態を図示する。図示されるように、極性またはイオン性成分の電荷は、極性流体中の再分布であり、その結果、極性流体ゲート端子(PFGT)および誘起流体ゲート電圧(VFG)が創出される。この電圧は、V字形電流対流体ゲート電圧曲線において、x軸(電圧)でシフトをもたらすことができる。留意されるように、V字形曲線の先端では、ゲート電圧の小さい変化が、有意で検出可能な変化をチャネル電流(IDS)にもたらすことができ、V字形曲線の2つの端点で平坦になっていく傾向がある。V字形曲線の先端に向かうシフトは、増大した感度をもたらすことができ、電流の変化に応答する電圧の非常に小さい変化を検出することができる。同様に、電圧の変化に応答する電流の非常に小さい変化も検出することができる。 FIG. 3A illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal with no polar fluid in motion. As shown, the charge of the polar or ionic components is redistributed in the polar fluid, resulting in the creation of a polar fluid gate terminal (PFGT) and an induced fluid gate voltage (V FG ). This voltage can result in a shift on the x-axis (voltage) in a V-shaped current versus fluid gate voltage curve. As noted, at the tip of the V-shaped curve, small changes in gate voltage can result in significant and detectable changes in the channel current (I DS ), which tends to flatten out at the two endpoints of the V-shaped curve. The shift toward the tip of the V-shaped curve can result in increased sensitivity, allowing very small changes in voltage in response to changes in current to be detected. Similarly, very small changes in current in response to changes in voltage can also be detected.
上述のように、V字形曲線の先端に向かうシフトは、より良好な感度をもたらすことができる。そのようなシフトは、極性液体誘起ゲート電圧によって引き起こすことができる。一部の実施形態では、極性液体誘起ゲート電圧は、極性流体中の荷電粒子の濃度に関連
付けられる。一部の実施形態では、濃度は、全ての負に帯電した粒子または全ての正に帯電した粒子の総量を反映することができる。V字形曲線のシフトは、広範な荷電粒子濃度に相関させることができる。一部の実施形態では、シフトが、1フェムトg/L程度に低い荷電粒子濃度に相関する(例えば、NaCl)。一部の実施形態では、シフトは、300g/L程度に高い荷電粒子濃度に相関する(例えば、NaCl)。これら結果は、電流感知システムが弾力的であり、広範な電荷濃度に耐えることができることを示唆する。
As mentioned above, a shift towards the tip of the V-shaped curve can result in better sensitivity. Such a shift can be caused by a polar liquid-induced gate voltage. In some embodiments, the polar liquid-induced gate voltage is related to the concentration of charged particles in the polar fluid. In some embodiments, the concentration can reflect the total amount of all negatively charged particles or all positively charged particles. The shift of the V-shaped curve can be correlated to a wide range of charged particle concentrations. In some embodiments, the shift correlates to charged particle concentrations as low as 1 femto g/L (e.g., NaCl). In some embodiments, the shift correlates to charged particle concentrations as high as 300 g/L (e.g., NaCl). These results suggest that the current sensing system is resilient and can withstand a wide range of charge concentrations.
図3Bは、極性流体が第1の方向に流れる極性流体ゲート端子を示す、例示的な実施形態を図示する。ゲート電位(VFG)の大きさは、極性流体の流量に正比例する。VFGの符号または方向は、極性流体が流れる方向;例えば、ソースドレイン端子に沿った、ソースドレイン端子を横断する方向に依存する。例えば、ゲート電圧がソースドレイン方向に沿って正である場合、逆方向では負になり、かつその逆も同様である。極性流体がソースドレイン電圧を横断して流れるとき、ゲート電圧がY方向に沿って正である場合には、Y方向で負になり、その逆も同様である。極性流体の流れの方向が変化するとき、ゲート電圧の方向も変化する可能性がある。 3B illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal with a polar fluid flowing in a first direction. The magnitude of the gate potential (V FG ) is directly proportional to the flow rate of the polar fluid. The sign or direction of V FG depends on the direction in which the polar fluid flows; e.g., along or across the source-drain terminals. For example, if the gate voltage is positive along the source-drain direction, it will be negative in the reverse direction, and vice versa. When the polar fluid flows across the source-drain voltage, if the gate voltage is positive along the Y direction, it will be negative in the Y direction, and vice versa. When the direction of polar fluid flow changes, the direction of the gate voltage may also change.
図3Cは、極性流体が第1の方向とは反対の第2の方向に流れる、極性流体ゲート端子を示す、例示的な実施形態を図示する。
極性流体ゲート端子でのゲート電圧の検出
FIG. 3C illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal through which the polar fluid flows in a second direction opposite the first direction.
Sensing the gate voltage at the polar fluid gate terminal
図4Aから4Cまでは、極性流体ゲート端子(PFGT)でのゲート電圧が決定される、構成を例示する。 Figures 4A through 4C illustrate configurations in which the gate voltage at the polar fluid gate terminal (PFGT) is determined.
図4Aは、誘電体層7およびゲート金属8を備えたベースデバイスを示す、例示的な実施形態を図示する。ここでベースデバイスは、210、220、230、および240など、図2A~2Dに図示されるいずれかとすることができる。ゲート電位は、ゲート金属と接地との間で測定される。誘電体層7は、ベースデバイスの基板の下に付加される(例えば、図2Aから2Dまでに図示されるような基板1)。ゲート金属8は、誘電体層7の下に付加される。ゲート金属8は、誘起ゲート電圧を測定するためにのみ付加され、電圧は、ゲート金属8を通して印加されない。一部の実施形態では、Vg1は、PFGTデバイス特性およびチャネルのタイプに依存して非線形的に変化させることができる。例えば、チャネルがグラフェンである場合(両極性)、Vg1は、グラフェンデバイスに典型的なトランスコンダクタンス応答に従うことができる。 Figure 4A illustrates an exemplary embodiment showing a base device with a dielectric layer 7 and a gate metal 8, where the base device can be any of those illustrated in Figures 2A-2D, such as 210, 220, 230, and 240. The gate potential is measured between the gate metal and ground. A dielectric layer 7 is added below the substrate of the base device (e.g., substrate 1 as illustrated in Figures 2A-2D). A gate metal 8 is added below the dielectric layer 7. The gate metal 8 is added only to measure the induced gate voltage, no voltage is applied through the gate metal 8. In some embodiments, Vg1 can be nonlinearly varied depending on the PFGT device characteristics and the type of channel. For example, if the channel is graphene (ambipolar), Vg1 can follow a transconductance response typical of graphene devices.
図4Bは、PFGT内に付加された金属電極を伴う、図2A~2Dに図示されるベースデバイスを示す、例示的な実施形態を図示する。ゲート電位は、金属電極と接地との間で測定される。Vg2は、付加された金属電極とアクティブチャネルとの間の二重層キャパシタンスによって形成されるトップゲート電圧である。Vg2は、PFGTデバイス特性およびチャネルのタイプに応じて非線形的に変化することができる。例えば、チャネルがグラフェンである場合(両極性)、Vg2は、グラフェンデバイスに典型的なトランスコンダクタンス応答に従う(例えば、図23参照)。 Figure 4B illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in Figures 2A-2D with an added metal electrode in the PFGT. The gate potential is measured between the metal electrode and ground. Vg2 is the top gate voltage formed by the double layer capacitance between the added metal electrode and the active channel. Vg2 can vary nonlinearly depending on the PFGT device characteristics and the type of channel. For example, if the channel is graphene (ambipolar), Vg2 follows the transconductance response typical of graphene devices (see, e.g., Figure 23).
図4Cは、誘電体およびゲート金属とPFGT内の金属電極とが増強された、図2A~2Dに図示されるベースデバイスを示す、例示的な実施形態を図示する。2つのゲート電位は、指示されるように測定される。2つのゲート電位(Vg1およびVg2)は、ソースドレイン電流/電圧および誘起PFGを使用して変調される電気出力である。Vg1およびVg2の同時測定は、開発された次世代マイクロプロセッサ、論理ゲート、計算回路、無線周波数(RF)デバイス、センサ、および同様のものを使用することができるトライゲート化構造(tri-gated structure)を創出する。 Figure 4C illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in Figures 2A-2D with the dielectric and gate metal and metal electrodes in the PFGT enhanced. Two gate potentials are measured as indicated. The two gate potentials (Vg1 and Vg2) are the electrical outputs modulated using the source-drain current/voltage and induced PFG. The simultaneous measurement of Vg1 and Vg2 creates a tri-gated structure that can be used to develop next generation microprocessors, logic gates, computational circuits, radio frequency (RF) devices, sensors, and the like.
図4Cは、誘電体およびゲート金属とPFGT内の金属電極とが増強された、図2A~2Dに図示されるベースデバイスを示す、例示的な実施形態を図示する。2つのゲート電圧(例えば、Vg1およびVg2)はPFGTに供給されて、所望の適用例に合わせてPFGTデバイスの全体の電気特性を変調させる。Vg1およびVg2による同時変調は、最小限のエネルギーを使用してより制御された様式で、所望の電気性能にデバイスの動作をシフトさせるように使用することができる、トライゲート化構造を創出する。そのようなデバイスは、次世代マイクロプロセッサ、論理ゲート、計算回路、無線周波数(RF)デバイス、センサ、および同様のものを開発するのに使用することができる。 Figure 4C illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in Figures 2A-2D with an enhancement of the dielectric and gate metal and metal electrodes in the PFGT. Two gate voltages (e.g., Vg1 and Vg2) are supplied to the PFGT to modulate the overall electrical characteristics of the PFGT device for a desired application. Simultaneous modulation with Vg1 and Vg2 creates a tri-gated structure that can be used to shift the operation of the device to the desired electrical performance in a more controlled manner using minimal energy. Such devices can be used to develop next generation microprocessors, logic gates, computational circuits, radio frequency (RF) devices, sensors, and the like.
図5Aは、極性流体グラフェン電界効果トランジスタ(PFGFET)を介してセンサの読出しに使用される回路を示す、例示的な実施形態を図示する。図5Aでは、定電流(IC)がPFGFETに供給される。出力電圧(VOUT)は、分割器および電流抵抗器(R)を使用して、PFGFETを経由して読み取る。次いで電圧出力を、感知される分析物の濃度に対して較正する。 5A illustrates an exemplary embodiment showing the circuit used to read out the sensor via a polar fluidic graphene field effect transistor (PFGFET). In FIG. 5A, a constant current (I C ) is supplied to the PFGFET. The output voltage (V OUT ) is read through the PFGFET using a divider and a current resistor (R). The voltage output is then calibrated to the concentration of the analyte being sensed.
図5Bは、PFGFETを介してセンサの読出しに使用される別の回路を示す、例示的な実施形態を図示する。ここでは、定電圧(Vs)がPFGFETに供給される。電流または充電器(charger)(Ian)は、電流抵抗器(R)を使用して、PFGFETから読み取る。次いで電流出力を、感知される分析物の濃度に対して較正する。 Figure 5B illustrates an exemplary embodiment showing another circuit used to read out the sensor via the PFGFET. Here, a constant voltage (Vs) is supplied to the PFGFET. A current or charger (Ian) is read from the PFGFET using a current resistor (R). The current output is then calibrated to the concentration of the analyte being sensed.
本発明について詳細に記載してきたが、添付される特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、修正例、変形例、および均等な実施形態が可能であることが明らかにされよう。さらに、本開示における全ての例は、非限定的な例として提供されることを理解すべきである。 Although the present invention has been described in detail, it will be apparent that modifications, variations, and equivalent embodiments are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Moreover, it should be understood that all examples in this disclosure are provided as non-limiting examples.
下記の非限定的な例は、本明細書に開示される本発明の実施形態をさらに例示するために提供される。当業者なら、以下に続く実施例に開示される技法は、本発明の実施に際して十分に機能することが見出された手法を表し、したがってその実施のための形態の実施例を構成するとみなすことができることを、理解すべきである。しかし当業者なら、本開示に照らして、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示される特定の実施形態で多くの変更を行うことができ、それでも同様のまたは類似の結果が得られることが理解されよう。
(実施例1)
ナノスケール電界効果トランジスタの実験条件
The following non-limiting examples are provided to further illustrate the embodiments of the invention disclosed herein. Those skilled in the art should understand that the techniques disclosed in the following examples represent methods found to work well in the practice of the invention and therefore can be considered to constitute examples of the embodiments for its implementation. However, those skilled in the art will understand in light of this disclosure that many changes can be made in the specific embodiments disclosed without departing from the spirit and scope of the invention and still obtain the same or similar results.
Example 1
Experimental conditions for nanoscale field-effect transistors
デバイスは、物理的ゲート端子なしの、二端子NFETの担体チャネルとしてグラフェンで製作した。 The device was fabricated with graphene as the carrier channel of a two-terminal NFET without a physical gate terminal.
ポリマーを、通常は0.5mm未満の厚さでグラフェン上に配置し、次いでグラフェンを成長させた触媒基板から分離した。感知システム用のフレキシブルポリマープラットフォームを、グラフェンポリマー複合体および2つの金属電気接点のステージングに使用した。グラフェンポリマー複合体を、フレキシブルポリマープラットフォームに結合させた。所望のリンカー分子の溶液を、グラフェンポリマー複合体上に堆積して、インキュベートする。過剰なリンカー分子溶液をグラフェンポリマー複合体から除去し;2つの金属電気接点を、グラフェンポリマー複合体の両縁に堆積した。 The polymer was placed on the graphene, typically with a thickness of less than 0.5 mm, and then separated from the catalytic substrate on which the graphene was grown. A flexible polymer platform for the sensing system was used to stage the graphene polymer composite and two metal electrical contacts. The graphene polymer composite was bonded to the flexible polymer platform. A solution of the desired linker molecule was deposited on the graphene polymer composite and incubated. Excess linker molecule solution was removed from the graphene polymer composite; two metal electrical contacts were deposited on both edges of the graphene polymer composite.
次いでグラフェンポリマー複合体を、テフロン(登録商標)、ポリイミド、および同様のものなどのポリマー基板上に置き、次いで1~10分間、摂氏80~150度で加熱して、あらゆる不純物を除去した。 The graphene polymer composite was then placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide, and the like, and then heated at 80-150 degrees Celsius for 1-10 minutes to remove any impurities.
次いでGFETセンサを、使用できる状態にした。一部の場合では、特定の分析物用のレセプタをグラフェン層上に堆積した。 The GFET sensors were then ready for use. In some cases, receptors for specific analytes were deposited on the graphene layer.
汗を通じた分析物感知のためのセンサシステムは、下記から構成された:
○ (カプトン)で作製されたフレキシブルポリマープラットフォーム;
○ フレキシブルポリマープラットフォームに結合されたグラフェンポリマー複合体;
○ 同様にフレキシブルポリマープラットフォームに結合された、グラフェンポリマー複合体の層の対向する縁部に、センサ構成内に位置付けられたソース電極およびドレイン電極;
○ 伝導性金属から構成されたソース電極およびドレイン電極のそれぞれ;
○ グラフェンポリマー複合体層は、2つの電極間で、所望の分析物バイオセンシングのためにリンカー分子で機能化し;かつ
○ センサシステムは、分析されるべき汚れていない汗の源に、緊密に近接させて保持した。
The sensor system for analyte sensing through sweat consisted of:
○ Flexible polymer platform made of (Kapton);
Graphene polymer composites bonded to flexible polymer platforms;
o source and drain electrodes positioned in a sensor configuration on opposing edges of a layer of graphene-polymer composite, also bonded to a flexible polymer platform;
○ each of a source electrode and a drain electrode comprised of a conductive metal;
o The graphene polymer composite layer was functionalized with linker molecules for biosensing of the desired analyte between the two electrodes; and o The sensor system was held in close proximity to a source of uncontaminated sweat to be analyzed.
汗を通じた分析物濃度を決定する方法は、下記のステップを含んだ:
○ 伝導チャネルを有する、機能化されたグラフェンポリマー複合体センサに、定バイアス電圧を印加すること;
○ センサを経由して第1のソース-ドレイン電圧を測定すること;
○ 伝導チャネルを、汗の源に緊密に近接させるようにすることによって、汚れていない汗に曝露すること;
○ 分析物を、リンカーを通してチャネルに電子を放出することによりリンカー分子に結合し、チャネルを横切って電位に変化をもたらすこと;
○ センサを経由して、第2のソース-ドレイン電圧を測定すること;
○ 第1のソース-ドレイン電圧と第2のソース-ドレイン電圧との間の分数変化率に基づいて、分析物の濃度を決定すること。
The method for determining analyte concentration through sweat included the following steps:
o applying a constant bias voltage to a functionalized graphene polymer composite sensor having a conducting channel;
measuring a first source-drain voltage via a sensor;
o Exposing the conduction channels to uncontaminated sweat by bringing them into close proximity to the source of sweat;
o binding of the analyte to the linker molecule by releasing an electron through the linker into the channel, resulting in a change in electrical potential across the channel;
○ measuring, via a sensor, a second source-drain voltage;
Determining a concentration of an analyte based on the fractional rate of change between the first source-drain voltage and the second source-drain voltage.
分析中、固定された電流または電圧をセンサに通した。GFETセンサの電気応答を、陰性対照として脱イオン(DI)水中の分析物を使用して、極性溶液中の分析物に関して記録した。機能化GFETに対するDI水応答も測定した。分析物は、NaCl、D-グルコース、および乳酸を含んだ。
(実施例2)
NaCl試料の分析
During the analysis, a fixed current or voltage was passed through the sensor. The electrical response of the GFET sensor was recorded for analytes in polar solutions, using analytes in deionized (DI) water as a negative control. DI water responses were also measured for the functionalized GFET. Analytes included NaCl, D-glucose, and lactate.
Example 2
Analysis of NaCl samples
これらの実施例では、固定された電流または電圧をGFETに通した。GFETセンサの電気応答を、下記に関して記録した:DI水中のNaCl濃度または非機能化GFET上でのDI水応答について。 In these examples, a fixed current or voltage was passed through the GFET. The electrical response of the GFET sensor was recorded with respect to: NaCl concentration in DI water or DI water response on a non-functionalized GFET.
選択性:DI水中の様々なNaCl濃度の応答を、GFET上で測定して、NaClに対するセンサの感度を研究した。DI水中で0から1g/Lに及ぶ様々な濃度のNaClを含む溶液を調製した。試験は、2ulの最低濃度をGFET上に導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様にした;例えば、図6に示される例における0.05g/Lから0.1まで。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Selectivity: The response of various NaCl concentrations in DI water was measured on the GFET to study the sensitivity of the sensor to NaCl. Solutions containing various concentrations of NaCl ranging from 0 to 1 g/L in DI water were prepared. The test started by introducing 2 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next higher concentration after 3 minutes, and so on; for example, from 0.05 g/L to 0.1 in the example shown in Figure 6. This was continued until all concentrations had been introduced onto the GFET.
図6は、GFETが、DI水だけには有意な応答を与えず、線形応答は、DI水中の高いNaCl濃度に対するものであることを示す。増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、対照としてDI水においてNaClに対して高い選択性が示された。 Figure 6 shows that the GFET gave no significant response to DI water alone, and a linear response to high NaCl concentrations in DI water. Increasing concentrations changed the voltage across the channel, thereby showing high selectivity for NaCl in DI water as a control.
感度:DI水中の様々なNaCl濃度の応答も、GFET上で測定して、NaClに対するセンサの感度を研究した。DI水中で0.1ng/dLから10mg/dLに及ぶ指数関数的に増大する濃度のD-グルコースを含む溶液を調製した。試験は、GFET上に2ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。ここで、濃度は対数的に増加した、例えば、0.1ng/dLからlng/dL、その後、lOng/dL、その後、0.1ug/dLまで、そして同様。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Sensitivity: The response of various NaCl concentrations in DI water was also measured on the GFET to study the sensitivity of the sensor to NaCl. Solutions containing exponentially increasing concentrations of D-glucose ranging from 0.1 ng/dL to 10 mg/dL in DI water were prepared. The test started by introducing 2 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next higher concentration after 3 minutes, and so on. Here, the concentration increased logarithmically, e.g., from 0.1 ng/dL to lng/dL, then lOng/dL, then to 0.1 ug/dL, and so on. This was continued until all concentrations were introduced onto the GFET.
図7は、GFETが、DI水だけには有意な応答を与えず、指数関数的応答は、DI水中の最低濃度のNaClから開始して最高濃度のNaClに至ることを示す。増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、対照としてDI水中のNaClに向けて約250フェムトグラム/リットルの高い感度を示した。 Figure 7 shows that the GFET gave no significant response to DI water alone, and an exponential response starting from the lowest concentration of NaCl in DI water to the highest concentration of NaCl. Increasing concentrations changed the voltage across the channel, thereby showing high sensitivity towards NaCl in DI water as a control, about 250 femtograms/liter.
汗中の塩化物応答:ヒトの汗中塩化物濃度の測定を、ヒト対象で行った。この試験は、対象に対してランニングなどの身体活動を行わせ、時々で水和するために水を用いる必要があった。 Sweat chloride response: Measurements of human sweat chloride concentrations were performed in human subjects. The study required subjects to engage in physical activity such as running and to use water to hydrate at intervals.
GFETを、ヒト対象が前腕および腰(エクリン汗腺)に装着した。汗の中の塩化物濃度に起因する電気応答を、対象が激しい身体活動(ランニングなど)を行っている間、連続的(500ミリ秒ごと)に伝達し記録した。汗の中の塩化物濃度の変化は、図8に例示されるように、電圧の分数変化率によって表された状態で観察した。 GFETs were worn by human subjects on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). The electrical response due to chloride concentration in sweat was continuously transmitted and recorded (every 500 ms) while the subjects engaged in vigorous physical activity (e.g., running). Changes in chloride concentration in sweat were observed, represented by the fractional rate of change of voltage, as illustrated in Figure 8.
図8は、皮膚に取着したPFGFETを使用した、2名のヒト対象の汗の浸透圧の、実時間濃度を示す。汗の中の浸透圧濃度は、個人の身体能力に直接相関した。対象1は短距離走者であり、対象2はジョギングする人であった。短距離走者(対象1)は、ジョギングする人(対象2およびラン2)に比べてより速いペース(ラン1)で、同じ距離を走った。対象の身体活動が激しくなるほど、測定される身体浸透圧濃度は高くなることが観察された。身体浸透圧のピークは、最も激しい身体活動の期間中に観察された。身体浸透圧は、激しい身体活動の期間中に低減することも観察された。これは、対象が塩分を適正に補わない状態で水を非常に多く消費したときに引き起こされた。データでは、曲線の勾配が0に向かう場合は低ナトリウム血症を示す。この期間中、身体は、できる限り多くの塩を保持しようとし(イオン平衡を維持するため)、したがって全体的な身体浸透圧の濃度は非常にゆっくりと変化する。 Figure 8 shows the real-time concentration of sweat osmolality of two human subjects using skin-attached PFGFETs. The osmolality concentration in sweat correlated directly to the physical performance of the individual. Subject 1 was a sprinter and Subject 2 was a jogger. The sprinter (Subject 1) ran the same distance at a faster pace (Run 1) compared to the jogger (Subject 2 and Run 2). It was observed that the more intense the subject's physical activity, the higher the measured body osmolality concentration. The peak in body osmolality was observed during the most intense physical activity period. It was also observed that body osmolality decreased during the intense physical activity period. This was caused when the subject consumed too much water without properly replenishing salt. In the data, a slope of the curve towards zero indicates hyponatremia. During this period, the body tries to retain as much salt as possible (to maintain ionic balance) and therefore the overall body osmolality concentration changes very slowly.
下記の新規な結果および/または特徴が観察された。 The following novel results and/or characteristics were observed:
高選択性:PFGTで変調したGFET(NFET)は、高い選択的応答(>97%)を、種々の対照流体中のNaCl濃度に与えた。 High selectivity: PFGT-modulated GFETs (NFETs) provided highly selective responses (>97%) to NaCl concentrations in various control fluids.
高感度:PBAで機能化されたGFETは、NaClに高感度を示し、その検出限界(LOD)は250フェムトグラム/リットルであった。GFETセンサは、高い信号対雑音比を有し、高感度であり、また結合のための表面積が広いことに起因して、表面と分子との間の結合はより強力である。これらの因子の全ては、GFETを高感度にするのに非常に大きな差別化する役割を演ずる。 High sensitivity: GFET functionalized with PBA showed high sensitivity to NaCl with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms per liter. The GFET sensor has a high signal-to-noise ratio, is sensitive, and due to the large surface area for binding, the binding between the surface and the molecules is stronger. All of these factors play a very differentiating role in making the GFET highly sensitive.
極性分子に起因したゲート変調:極性流体(水、塩など)では、極性分子(イオンなど)がNFET上に極性流体ゲート端子(PFGT)を形成することが観察された。グラフェン表面付近の極性分子は、誘電効果を誘起させ、電荷移動のためのチャネルを創出した。PFGTのゲート強度は、流体中の極性分子の電荷と濃度の両方に依存した。そのよう
な第3の極性流体ゲート端子(PFGT)は、極性流体中のNaCl濃度からの電気応答を変調させた。
Gate modulation due to polar molecules: In polar fluids (water, salt, etc.), polar molecules (ions, etc.) were observed to form a polar fluidic gate terminal (PFGT) on the NFET. The polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect and created a channel for charge transfer. The gate strength of the PFGT depended on both the charge and the concentration of the polar molecules in the fluid. Such a third polar fluidic gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from the NaCl concentration in the polar fluid.
連続モニタリング:イオンの濃度を、誘起極性流体ゲート端子からのNFETチャネル電流の変調により、流体中で連続的に測定した。イオン性溶液をNFETの表面から除去したら、極性流体ゲートNFETの電気応答は、元の裸のまたは初期の値に戻った。 Continuous monitoring: The concentration of ions was continuously measured in the fluid by modulation of the NFET channel current from the induced polar fluidic gate terminal. Once the ionic solution was removed from the surface of the NFET, the electrical response of the polar fluidic gated NFET returned to its original bare or initial value.
NFETの表面での極性流体の誘起運動:極性流体(DI水中のNaClなど)は、NFET表面と極性流体との間の高い疎水性に起因して、NFETからすぐに弾かれまたは除かれるようになると考えられる。流体中の極性分子(例えば、NaCl)の濃度が高くなるほど、PFGTの強度が高くなり、したがって反発作用が大きくなる。NFET上のNaCl分子によるPFGTに起因した電気応答の変調と組み合わされたこの反発作用は、より高い感度の選択的および連続モニタリング電解質システムを可能にした。 Induced movement of polar fluids at the surface of the NFET: It is believed that polar fluids (such as NaCl in DI water) become quickly repelled or removed from the NFET due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. The higher the concentration of polar molecules (e.g., NaCl) in the fluid, the higher the strength of the PFGT and therefore the greater the repulsive effect. This repulsive effect combined with the modulation of the electrical response due to the PFGT by the NaCl molecules on the NFET enabled a more sensitive selective and continuous monitoring electrolyte system.
ヒトの汗における実時間連続塩化物モニタリング:例として、GFETを、ヒト対象が前腕および腰(エクリン汗腺)に装着した。汗は、希釈され限外濾過された血液である。汗の中の塩化物濃度に起因する電気応答を、対象が、a)激しい身体活動(トレーニング)、b)激しくない身体活動(事務机への着席および食事など)を行っている間、連続的(500ミリ秒ごと)に伝達し記録した。汗の中のバックグラウンドイオン濃度(主に、NaCl)は、二端子GFETデバイス上にPFGTを形成することが観察された。Clイオンに起因するGFET上の誘導PFGTのゲート強度の変化は、ヒトの汗の中のClイオン分子の、連続的な非侵襲的モニタリングを可能にした。汗は、高度に希釈され限外濾過されるので、連続的に塩化物濃度を測定するのに非常に良好な極性流体であることが観察された。
(実施例3)
D-グルコース試料の分析
Real-time continuous chloride monitoring in human sweat: As an example, GFETs were worn by human subjects on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). Sweat is diluted and ultrafiltered blood. The electrical response due to chloride concentration in sweat was continuously transduced and recorded (every 500 ms) while the subjects were engaged in a) vigorous physical activity (training) and b) non-vigorous physical activity (such as sitting at an office desk and eating). It was observed that background ion concentrations in sweat (mainly NaCl) formed a PFGT on the two-terminal GFET device. The change in gate strength of the induced PFGT on the GFET due to Cl ions allowed for continuous non-invasive monitoring of Cl ion molecules in human sweat. It was observed that sweat is a very good polar fluid for measuring chloride concentration continuously, since it is highly diluted and ultrafiltered.
Example 3
Analysis of D-glucose samples
これらの実施例では、固定された電流または電圧をGFETに通した。 In these examples, a fixed current or voltage was passed through the GFET.
GFET/PBAセンサの電気応答を、下記に関して記録した:
○ DI水中のD-グルコース濃度
○ 人工汗(DI+NaCl+乳酸)中のD-グルコース濃度
○ 非機能化GFET上でのDI水中のD-グルコース濃度
○ 機能化デバイス上でのDI水中のラクトース濃度(対照1)
○ 機能化デバイス上での人工汗濃度(対照2)
○ 機能化GFETでのDI水応答
○ ヒト汗グルコース測定:グルコース濃度の実時間連続モニタリングを、装着可能なGFET/PBAセンサを使用して、ヒトの汗で行った。実時間連続汗グルコース応答は、市販のグルコース測定器を使用した血糖測定値に相関していた。
The electrical response of the GFET/PBA sensor was recorded for:
○ D-glucose concentration in DI water ○ D-glucose concentration in artificial sweat (DI + NaCl + lactic acid) ○ D-glucose concentration in DI water on non-functionalized GFET ○ Lactose concentration in DI water on functionalized device (Control 1)
Artificial sweat concentration on functionalized devices (Control 2)
○ DI water response with functionalized GFETs ○ Human sweat glucose measurement: Real-time continuous monitoring of glucose concentration was performed in human sweat using a wearable GFET/PBA sensor. The real-time continuous sweat glucose response was correlated to blood glucose measurements using a commercial glucose meter.
機能化:例として、グラフェンFETを、流体中のグルコース分子に特異的に結合するリンカー分子(ロック)で機能化した。例として、GFETを、ピレンボロン酸(PBA)で機能化した。ピレンボロン酸は、π-π結合を使用してグラフェン表面に結合する。PBAは、D-グルコースと共に可逆的ホウ素陰イオン錯体を形成する。製作ステップは、下記の通りである:
○ ポリマーを、通常は0.5mm未満の厚さでグラフェン上に配置し、次いでそれを上に成長させた触媒基板から分離した。
○ 次いでグラフェンポリマー複合体を、テフロン(登録商標)、ポリイミドなどのポリマー基板上に置き、1~10分間、摂氏80~150度で加熱して、いかなる不純物も除去した。
○ 次いでグラフェンポリマーを、室温で機能化するために、5~20分にわたりPBAの溶液に導入した。
○ 機能化ステップの後、センサは使用できる状態になる。
Functionalization: As an example, graphene FETs were functionalized with a linker molecule (lock) that specifically binds to glucose molecules in the fluid. As an example, GFETs were functionalized with pyrene boronic acid (PBA). Pyrene boronic acid binds to the graphene surface using π-π bonds. PBA forms a reversible boron anion complex with D-glucose. The fabrication steps are as follows:
o The polymer was deposited on the graphene, typically to a thickness of less than 0.5 mm, and then separated from the catalytic substrate on which it was grown.
o The graphene polymer composite was then placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide etc. and heated at 80-150 degrees Celsius for 1-10 minutes to remove any impurities.
o The graphene polymer was then introduced into a solution of PBA for 5-20 minutes for functionalization at room temperature.
After the functionalization step the sensor is ready for use.
DI水中の様々なD-グルコース濃度の応答を、GFET上で測定して、D-グルコースに対する機能化センサの感度を研究した。 The response of various D-glucose concentrations in DI water was measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose.
DI水中で0.1から100mg/dLに及ぶ様々な濃度のD-グルコースを含む溶液を調製し、それと共に、DI水中に様々な濃度のラクトースを調製した。試験は、5ulの最低濃度をGFET上に導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様にした。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Solutions containing D-glucose in various concentrations ranging from 0.1 to 100 mg/dL in DI water were prepared along with various concentrations of lactose in DI water. The test started with 5 ul of the lowest concentration being introduced onto the GFET, followed by the next highest concentration after 3 minutes, and so on. This was continued until all concentrations had been introduced onto the GFET.
図9は、GFETが、DI水またはラクトース溶液だけには有意な応答を与えず、指数関数的応答は、DI水中の高いD-グルコース濃度に対するものであることを示す。増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、対照としてDI水を持つD-グルコースに対して高い選択性が示された。 Figure 9 shows that the GFET gave no significant response to DI water or lactose solution alone, and an exponential response to high D-glucose concentrations in DI water. Increasing concentrations changed the voltage across the channel, thereby showing high selectivity for D-glucose with DI water as a control.
NaCl中のグルコース応答対DI水中のグルコース応答:DI水およびNaCl溶液中の様々なD-グルコース濃度の応答を、GFET上で測定して、DI水中のD-グルコース対NaCl中のD-グルコースに対する機能化センサの感度を研究し、NaCl溶液の作用を理解した。 Glucose response in NaCl vs. glucose response in DI water: The response of various D-glucose concentrations in DI water and NaCl solutions was measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose in DI water vs. D-glucose in NaCl and to understand the effect of NaCl solution.
DI水およびNaCl中でそれぞれ0.1から100mg/dLに及ぶ様々な濃度のD-グルコースを含む溶液を調製した。試験は、GFET上に5ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。ここで、濃度は対数的に増加した。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Solutions containing various concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL were prepared in DI water and NaCl, respectively. The test started by introducing 5 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next higher concentration after 3 minutes, and so on, where the concentrations increased logarithmically. This was continued until all concentrations had been introduced onto the GFET.
図10は、NaCl中のD-グルコース応答が、DI水中のD-グルコース応答よりも増幅されることを示す。GFET上にPFGTを提供する極性溶液は、チャネルを経由する電気応答を増幅させ、それによって感度が増加し、可逆性を提供した。 Figure 10 shows that the D-glucose response in NaCl is more amplified than the D-glucose response in DI water. The polar solution providing the PFGT on the GFET amplified the electrical response through the channel, thereby increasing sensitivity and providing reversibility.
NaCl溶液中のグルコース応答の選択性測定:NaCl中の様々なD-グルコース濃度の応答を、GFET上で測定して、D-グルコースに対する機能化センサの感度を研究した。 Selectivity measurement of glucose response in NaCl solution: The response of various D-glucose concentrations in NaCl was measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose.
NaCl溶液中で0.1から100mg/dLに及ぶ様々な濃度のD-グルコースを含む溶液を調製し、それと共に、DI水中で様々な濃度のNaClを調製した。試験は、GFET上に5ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。ここで、濃度は対数的に増加した。これを、全ての濃度がGFETに導入されるまで継続した。 Solutions containing various concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL in NaCl solution were prepared along with various concentrations of NaCl in DI water. The test started by introducing 5 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next higher concentration after 3 minutes, and so on, where the concentrations increased logarithmically. This was continued until all concentrations had been introduced onto the GFET.
図11は、GFETがNaCl溶液だけには有意な応答を与えず、増加するNaCl濃度の溶液に対して、固定されたNaCl濃度で増加するD-グルコース濃度の溶液は、線形応答を示した。増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、D-グルコースに対して高い選択性が示された。PBAで機能化されたGFET(NFET)は、グルコース濃度に対して高い選択的応答(95%)を与えた。 Figure 11 shows that the GFET gave no significant response to NaCl solutions alone, and showed a linear response to solutions of increasing NaCl concentration, but increasing D-glucose concentrations at a fixed NaCl concentration. Increasing concentration changed the voltage across the channel, thereby indicating high selectivity for D-glucose. The PBA-functionalized GFET (NFET) gave a highly selective response (95%) to glucose concentration.
図11は、機能化グルコースセンサがNaClに対して感度がなく(オレンジの曲線がかなり平らであるので)、それに対してグルコース曲線は、NaCl溶液中に存在するグルコースの濃度が増加するにつれて上昇するというアイデアを与える。 Figure 11 gives an idea that the functionalized glucose sensor is insensitive to NaCl (since the orange curve is fairly flat), whereas the glucose curve rises as the concentration of glucose present in the NaCl solution increases.
DI水中のD-グルコース応答の感度測定:DI中の様々なD-グルコース濃度応答を、GFET上で測定して、D-グルコースに対する機能化センサの感度範囲を研究した。 Sensitivity measurement of D-glucose response in DI water: Various D-glucose concentration responses in DI were measured on the GFET to study the sensitivity range of the functionalized sensor to D-glucose.
DI水中で250フェムトグラム/Lから100mg/Lに及ぶ、グルコースの指数関数的に増加する濃度を含む溶液を、調製した。試験は、GFET上に、3分ごとに5ulのDI水を導入することを3回行うことから開始し、その後、最低濃度の5ulを導入し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。ここで、濃度は対数的に増加し;例えば0.25pg/lから、次いで2.5pg/l、以下同様であった。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Solutions containing exponentially increasing concentrations of glucose ranging from 250 femtograms/L to 100 mg/L in DI water were prepared. The test began with three 5 ul DI water injections over the GFET every 3 minutes, followed by 5 ul of the lowest concentration, followed by the next highest concentration after 3 minutes, and so on. Here, the concentrations increased logarithmically; e.g., from 0.25 pg/L, then 2.5 pg/L, and so on. This continued until all concentrations had been injected over the GFET.
図12は、GFETがDI水だけには有意な応答を与えず、線形応答が、最低濃度から開始して最高濃度に至り、濃度が増加することでチャネルを横切って電流が変化し、それによって、D-グルコースに対して約250フェムトグラム/リットル(即ち、1.38e-12mmol/l)の高感度が示されたことを示す。 FIG. 12 shows that the GFET gave no significant response to DI water alone, and a linear response changed the current across the channel with increasing concentration, starting from the lowest concentration to the highest, thereby demonstrating a high sensitivity of approximately 250 femtograms/liter (i.e., 1.38e −12 mmol/l) to D-glucose.
機能化ステップ:図13には、機能化前、機能化後、およびグルコースがセンサ上に導入された後の、グラフェンセンサに関する電流応答が示される。このことは、GFET製作ステップの各段階と、各段階後にGFETの電流応答がどのように変化するかの理解を助ける。例えば、図13には、機能化前(青)に比べて機能化後(オレンジ)に電流応答が増加することが示され、これは、リンカー分子がπ-π結合によって結合されかつグラフェンの表面上の全ての電荷が増加することによって生じる。リンカー分子はグルコース分子を引き付け、これらの電荷雲を使用することによってそれに結合し、それによって、その以前の状態に比べてGFET上での電流が低減される。 Functionalization steps: Figure 13 shows the current response for the graphene sensor before functionalization, after functionalization, and after glucose is introduced onto the sensor. This helps understand each step of the GFET fabrication steps and how the current response of the GFET changes after each step. For example, Figure 13 shows that the current response increases after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue), which occurs because the linker molecules are attached by π-π bonds and the total charge on the surface of the graphene increases. The linker molecules attract and bind to the glucose molecule by using these charge clouds, thereby reducing the current on the GFET compared to its previous state.
汗および血液中のD-グルコース応答:ヒトの汗中グルコース濃度の測定を、ヒト対象で行った。この試験は、対象に対してランニングなどの身体活動を行わせ、血液試料を採取し、グルコース測定器を使用して数分ごとに血糖を測定する必要があった。GFETを、ヒト対象が前腕および腰(エクリン汗腺)に装着した。汗の中のD-グルコース濃度に起因する電気応答を、対象が激しい身体活動(ランニングなど)を行っている間、連続的(500ミリ秒ごと)に伝達し記録した。 D-Glucose Response in Sweat and Blood: Measurements of glucose concentration in human sweat were performed in human subjects. The test required the subjects to engage in physical activity such as running, draw blood samples, and measure blood glucose every few minutes using a glucose meter. GFETs were worn by the human subjects on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). The electrical response due to D-glucose concentration in sweat was transmitted and recorded continuously (every 500 milliseconds) while the subjects engaged in vigorous physical activity (e.g. running).
この特定の場合、身体活動は、食物を食べることであった。対象が食べ始めるにつれ、対象のグルコースは、汗および血液中のグルコースの両方で見られるように、上昇し始める。人が食事を行った後、グルコースレベルは低下し始め、安定する。 In this particular case, the physical activity was eating food. As the subject begins to eat, the subject's glucose begins to rise, as seen in both sweat and blood glucose. After the person has eaten, glucose levels begin to drop and stabilize.
ランニングの場合、走り始めるにつれ、身体はグルコースを使用し、それを分解してランニング用のエネルギーを得る。したがってグルコースの低下が見られる。しかし、いくつかの時点の後、身体のインスリンは作用し始め、総グルコース値は再び上昇し始める。 When you start running, your body uses glucose and breaks it down to get energy for running, so you see a drop in glucose. But after some point, your body's insulin kicks in and your total glucose levels start to rise again.
図14は、電圧の分数変化率によって表される、汗中D-グルコース濃度の変化を示す。 Figure 14 shows the change in D-glucose concentration in sweat, represented by the fractional rate of change in voltage.
図15の血糖データを、トレーニングの全期間にわたって時間に対してもプロットした。汗中グルコース測定値は、血糖測定値に相関していた。ここで、対応する血糖値に対する汗中グルコース値を、血液に対して再びプロットして(血液対汗)、相関R2を得、汗中グルコースが血糖に対してどのようにうまく一致するかというアイデアが得られた。 The blood glucose data in Figure 15 was also plotted against time over the entire training period. The sweat glucose measurements were correlated to the blood glucose measurements. Here, the sweat glucose values against the corresponding blood glucose values were plotted again against blood (blood vs. sweat) to get the correlation R2 , giving an idea of how well the sweat glucose matches against blood glucose.
図16はさらに、血糖と汗中グルコースとの間の測定値の相関を示す。ここで、3つの異なるセンサを、同じ人に対して同じ時間で使用した。汗中グルコースに関して150を
超える曲線を、それらの研究の全所要時間での血糖と共に、10名のヒト対象から収集し、相関させた。対象は、身体活動(トレーニング、ランニングなど)を行い、または身体活動を行わなかった(机に座るなど)。これら150の曲線に関し、計算された相関は、図16に示されるように、汗と血液との間でR2=84%であった。
Figure 16 further shows the correlation of measurements between blood glucose and sweat glucose, where three different sensors were used at the same time on the same person. More than 150 curves for sweat glucose were collected and correlated from 10 human subjects with blood glucose for the entire duration of the study. The subjects were either physically active (training, running, etc.) or not (sitting at a desk, etc.). For these 150 curves, the calculated correlation was R2 = 84% between sweat and blood, as shown in Figure 16.
下記の新規な結果および/または特徴が観察された。 The following novel results and/or characteristics were observed:
高選択性:PBAで機能化されたGFET(NFET)は、高い選択的応答(>95%)を、種々の対照流体中のグルコース濃度に与えた。 High selectivity: PBA-functionalized GFETs (NFETs) provided highly selective responses (>95%) to glucose concentrations in various control fluids.
高感度:PBAで機能化されたGFETは、D-グルコースに高感度を示し、その検出限界(LOD)は250フェムトグラム/リットル、即ち1.38e-12mmol/lであった。既存のグルコース測定器は、0.3~1.1mmol/lの間のLODを有する。PBAで機能化されたGFETは、既存の標準的なグルコース測定デバイスよりも感度が約1010倍高い。GFETセンサは、高い信号対雑音比を有し、高感度であり、また結合のための表面積が広いことに起因して、表面とレセプタ分子との間の結合はより強力である。これらの因子の全ては、GFETを高感度にするのに非常に大きな差別化する役割を演ずる。 High sensitivity: PBA-functionalized GFETs showed high sensitivity to D-glucose with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter, i.e., 1.38e -12 mmol/l. Existing glucose meters have LODs between 0.3 and 1.1 mmol/l. PBA-functionalized GFETs are approximately 1010 times more sensitive than existing standard glucose measuring devices. GFET sensors have a high signal-to-noise ratio, are highly sensitive, and due to the large surface area for binding, the binding between the surface and the receptor molecules is stronger. All of these factors play a very differentiating role in making GFETs highly sensitive.
極性分子に起因したゲート変調:極性流体(水、塩など)では、極性分子(イオンなど)がNFET上に極性流体ゲート端子(PFGT)を形成することが観察された。グラフェン表面付近の極性分子は、誘電効果を誘起させ、電荷移動のためのチャネルを創出した。PFGTのゲート強度は、流体中の極性分子の電荷と濃度の両方に依存した。そのような第3の極性流体ゲート端子(PFGT)は、極性流体中のグルコース濃度からの電気応答を変調させた。 Gate modulation due to polar molecules: In polar fluids (water, salt, etc.), polar molecules (ions, etc.) were observed to form a polar fluidic gate terminal (PFGT) on the NFET. The polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect and created a channel for charge transfer. The gate strength of the PFGT depended on both the charge and the concentration of the polar molecules in the fluid. Such a third polar fluidic gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from the glucose concentration in the polar fluid.
連続グルコースモニタリング:グラフェン表面でのPBA-グルコース結合の可逆性は、極性流体中に形成されたNFET上の極性流体ゲート端子に起因して、電荷変調により大きく増大した。極性流体中の極性分子(イオンなど)の濃度が高くなるほど、PBA-D-グルコース結合の可逆性が大きくなることが観察された。センサに結合したグルコース濃度が、そのギブスの自由エネルギーに起因して汗の中のグルコース濃度よりも高くなると、グルコース分子はPBAから解放されるようになり、可逆的特質が観察されるが、このことは、グルコースの濃度が一瞬低下するように図14に記録された電気応答に明らかに見られるものである。このため、極性流体中のD-グルコース分子の、再使用可能な実時間継続モニタリングが可能になる。 Continuous glucose monitoring: The reversibility of PBA-glucose binding on the graphene surface was greatly enhanced by charge modulation due to the polar fluid gate terminal on the NFET formed in the polar fluid. It was observed that the higher the concentration of polar molecules (e.g. ions) in the polar fluid, the greater the reversibility of PBA-D-glucose binding. When the glucose concentration bound to the sensor becomes higher than that in sweat due to its Gibbs free energy, the glucose molecules become released from PBA and a reversible nature is observed, which is clearly seen in the electrical response recorded in Figure 14 as the concentration of glucose drops momentarily. This allows for reusable real-time continuous monitoring of D-glucose molecules in polar fluids.
センサ表面上の極性流体の運動に起因したグルコースセンサの再使用可能性:NFET上での極性流体(塩中のグルコースなど)の運動は、リンカー分子からの、結合されたグルコース分子の除去を増大させることが観察された。例として、グルコース溶液がGFETのグラフェンの表面から除去されたとき、GFETの電気応答は元の裸の値に戻った。 Reusability of glucose sensors due to the movement of polar fluids over the sensor surface: The movement of polar fluids (such as glucose in salt) over the NFET was observed to increase the removal of bound glucose molecules from the linker molecules. As an example, when the glucose solution was removed from the graphene surface of the GFET, the electrical response of the GFET reverted to its original bare value.
NFETの表面での極性流体の誘起運動:極性流体(塩中のグルコースなど)は、NFET表面と極性流体との間の高い疎水性に起因して、NFETからすぐに弾かれまたは除かれるようになると考えられる。流体中の極性分子の濃度が高くなるほど、PFGTの強度が高くなり、したがって反発作用が大きくなる。この反発作用は、結合されたグルコース分子の除去と組み合わされ(上記セクションeで記載された)、NFET上のPFGTに起因した電気応答の変調は、より高い感度の選択的および連続モニタリンググルコースシステムを可能にした。 Induced movement of polar fluids on the surface of the NFET: It is believed that polar fluids (such as glucose in salt) become quickly repelled or removed from the NFET due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the higher the strength of the PFGT and therefore the greater the repulsion effect. This repulsion effect, combined with the removal of bound glucose molecules (described in section e above), and the modulation of the electrical response due to the PFGT on the NFET, enabled a more sensitive selective and continuous monitoring glucose system.
ヒトの汗における実時間連続グルコースモニタリング:PBAで機能化されたGFET
を、ヒト対象が前腕および腰(エクリン汗腺)に装着した。汗は、希釈され限外濾過された血液である。汗の中のD-グルコース濃度に起因する電気応答を、対象が、a)激しい身体活動(トレーニング)およびb)激しくない身体活動(事務机への着席および食事など)を行っている間、連続的(500ミリ秒ごと)に伝達し記録した。汗中グルコース応答は、活動の長さ(典型的には20分から6時間を超える)にわたって血糖測定器を使用して数分ごとに得られた血糖読み取り値に、相関していた。汗の中のバックグラウンドイオン濃度(主に、NaCl)は、二端子GFET/PBAデバイス上にPFGTを形成することが観察された。GFET上のPFGTに起因するPBAおよびD-グルコース結合の間の増大した可逆性は、ヒトの汗の中のグルコース分子の、連続的な非侵襲的モニタリングを可能にした。84%(R2)の相関が、血糖および汗中グルコース測定の間で計算された。相関は、様々な身体活動条件下、10名のヒト対象から収集された150の汗中グルコース応答に関して計算された。汗は、高度に希釈され限外濾過されるので、連続的にグルコースを測定するのに非常に良好な極性流体であることが観察された。
(実施例4)
乳酸試料の分析
Real-time continuous glucose monitoring in human sweat: PBA-functionalized GFETs
were worn by human subjects on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). Sweat is diluted and ultrafiltered blood. Electrical responses due to D-glucose concentrations in sweat were continuously transmitted and recorded (every 500 ms) while subjects were engaged in a) vigorous physical activity (training) and b) non-vigorous physical activity (such as sitting at an office desk and eating). Sweat glucose responses were correlated to blood glucose readings obtained every few minutes using a blood glucose meter over the length of the activity (typically 20 min to over 6 h). Background ion concentrations in sweat (mainly NaCl) were observed to form a PFGT on the two-terminal GFET/PBA device. The increased reversibility between PBA and D-glucose binding due to the PFGT on the GFET enabled continuous non-invasive monitoring of glucose molecules in human sweat. A correlation of 84% (R 2 ) was calculated between blood glucose and sweat glucose measurements. Correlations were calculated for 150 sweat glucose responses collected from 10 human subjects under various physical activity conditions. Sweat was observed to be a very good polar fluid for continuous glucose measurement because it is highly diluted and ultrafiltered.
Example 4
Analysis of Lactic Acid Samples
これらの実施例では、固定された電流または電圧をGFETに通した。 In these examples, a fixed current or voltage was passed through the GFET.
機能化:グラフェンFETを、流体中の乳酸分子に特異的に結合するリンカー分子(ロック)で機能化した。例としてGFETを、乳酸オキシダーゼ(LOx)を用い、中間体であるピレン-NHSの連結化学を使用してグラフェン表面に機能化した。
○ ポリマーを、通常は0.5mm未満の厚さでグラフェン上に配置し、次いでそれを上に成長させた触媒基板から分離する。
○ 次いでグラフェンポリマー複合体を、テフロン(登録商標)、ポリイミドなどのポリマー基板上に置き、1~10分間、摂氏80~150度で加熱して、いかなる不純物も除去する。
○ 次いでグラフェンポリマーを、室温で機能化するために、5~20分にわたりピレン-NHSの溶液に導入する。
○ 次いでグラフェンポリマーを、室温で520分間にわたり結合させるためにLOxの溶液に導入する。
○ 機能化ステップの後、センサは使用できる状態になる。
Functionalization: Graphene FETs were functionalized with linker molecules (locks) that specifically bind to lactate molecules in fluids. As an example, GFETs were functionalized with lactate oxidase (LOx) on the graphene surface using intermediate pyrene-NHS linking chemistry.
o The polymer is deposited on the graphene, typically to a thickness of less than 0.5 mm, and then separated from the catalytic substrate on which it was grown.
o The graphene polymer composite is then placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide etc. and heated at 80-150 degrees Celsius for 1-10 minutes to remove any impurities.
o The graphene polymer is then introduced into a solution of pyrene-NHS for 5-20 minutes for functionalization at room temperature.
o The graphene polymer is then introduced into a solution of LOx for binding at room temperature for 520 minutes.
After the functionalization step the sensor is ready for use.
GFET/LOxセンサの電気応答を、下記に関して記録した:
○ DI水中の乳酸濃度
○ 人工汗(DI+NaCl+グルコース)中の乳酸濃度
○ 非機能化GFETでのNaCl中の乳酸濃度
○ 機能化GFETでのNaCl中の乳酸濃度
○ 機能化デバイスでの人工汗濃度(対照2)
○ 機能化GFETでのDI水応答。
The electrical response of the GFET/LOx sensor was recorded for:
Lactic acid concentration in DI water Lactic acid concentration in artificial sweat (DI+NaCl+glucose) Lactic acid concentration in NaCl on non-functionalized GFET Lactic acid concentration in NaCl on functionalized GFET Artificial sweat concentration on functionalized device (Control 2)
○ DI water response on functionalized GFETs.
DI水中の乳酸応答の選択性測定:DI中の様々な乳酸濃度の応答を、GFET上で測定して、乳酸に対する機能化センサの感度を研究した。DI水中0~25mMに及ぶ様々な濃度の乳酸の溶液を、調製した。試験は、2ulの最低濃度をGFET上に導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様にした。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Selectivity measurement of lactate response in DI water: The response of various lactate concentrations in DI was measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactate. Solutions of lactate with various concentrations ranging from 0 to 25 mM in DI water were prepared. The test started by introducing 2 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was continued until all concentrations had been introduced onto the GFET.
図17は、GFETが、DIだけには有意な応答を与えず、多項式応答は、DI水中の高い乳酸濃度に対するものであることを示し、増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、DI水を対照として使用して、DI水中の乳酸に対して高い選択性が示された。 Figure 17 shows that the GFET gave no significant response to DI alone, but a polynomial response to high lactate concentrations in DI water, with increasing concentration changing the voltage across the channel, thereby demonstrating high selectivity for lactate in DI water, using DI water as a control.
様々な溶液中の乳酸応答の選択性測定:様々な溶液中の様々な乳酸濃度の応答を、GFET上で測定して、乳酸に対する機能化センサの感度および非機能化センサ上での応答を研究した。NaClおよびNaClグルコース中で0から25mMに及ぶ様々な濃度の乳酸を含む溶液を調製した。試験は、GFET上に2ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。これを、それぞれの溶液について別個に、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Selectivity measurement of lactate response in various solutions: The response of various lactate concentrations in various solutions was measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactate and the response on the non-functionalized sensor. Solutions containing various concentrations of lactate ranging from 0 to 25 mM in NaCl and NaCl glucose were prepared. The test started by introducing 2 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was continued for each solution separately until all concentrations had been introduced onto the GFET.
図18は、GFETがNaClおよびNaClグルコース対照だけには有意な応答を与えず、NaClおよびNaClグルコース溶液中で増加する乳酸濃度に対して多項式応答を与えた。増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、乳酸に対して高い選択性が示された。乳酸NaCl溶液に関して非機能化センサでは有意な応答はなく、乳酸に対するセンサの選択性および感度がさらに強調された。 Figure 18 shows that the GFET gave no significant response to NaCl and NaCl-glucose controls alone, and a polynomial response to increasing lactate concentrations in NaCl and NaCl-glucose solutions. Increasing concentrations changed the voltage across the channel, thereby demonstrating high selectivity for lactate. There was no significant response for the non-functionalized sensor with lactate-NaCl solution, further highlighting the selectivity and sensitivity of the sensor to lactate.
NaCl中の乳酸応答対DI水中の乳酸応答:DI水およびNaCl溶液中の様々な乳酸濃度の応答を、GFET上で測定して、DI水中の乳酸対NaCl中の乳酸に対する機能化センサの感度を研究し、NaCl溶液の作用を理解した。DI水およびNaCl中で、それぞれ、0.1から100mg/dLに及ぶ、乳酸の様々な濃度を含む溶液を調製した。試験は、GFET上に、2ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Lactate response in NaCl vs. lactate response in DI water: The response of various lactate concentrations in DI water and NaCl solutions was measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactate in DI water vs. lactate in NaCl and to understand the effect of NaCl solutions. Solutions containing various concentrations of lactate ranging from 0.1 to 100 mg/dL were prepared in DI water and NaCl, respectively. The test started by introducing 2 ul of the lowest concentration onto the GFET, followed by the next highest concentration after 3 minutes, and so on. This was continued until all concentrations were introduced onto the GFET.
図19は、NaCl中の乳酸応答が、DI水中の乳酸応答よりもそれほど増幅されないことを示す。 Figure 19 shows that the lactate response in NaCl is less amplified than the lactate response in DI water.
GFET製作を通じて視覚化された乳酸機能化ステップ:機能化前、機能化後、および乳酸をセンサ上に導入した後の、グラフェンセンサに関する電流応答を、図20に図示する。これは、GFET製作ステップの各段階と、各段階後にGFETの電流応答がどのように変化するかの理解を助ける。例えば図20は、電流応答が、機能化前(青)に比べて機能化後(オレンジ)に低下することを示す。リンカー分子は乳酸分子を引き付け、それに結合し、それによって、その以前の状態に比べてGFET上での電流が低減される。 Lactic acid functionalization steps visualized throughout the GFET fabrication: The current response for the graphene sensor before functionalization, after functionalization, and after introducing lactate onto the sensor is illustrated in FIG. 20. This helps understand each step of the GFET fabrication steps and how the current response of the GFET changes after each step. For example, FIG. 20 shows that the current response is reduced after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue). The linker molecule attracts and binds to the lactate molecule, thereby reducing the current on the GFET compared to its previous state.
下記の新規な結果および/または特徴が観察された。 The following novel results and/or characteristics were observed:
高選択性:LOxで機能化されたGFET(NFET)は、高い選択的応答(>94%)を、種々の対照流体中の乳酸濃度に与えた。 High selectivity: LOx-functionalized GFETs (NFETs) provided highly selective responses (>94%) to lactate concentrations in various control fluids.
高感度:ピレンNHSで機能化されたGFETは、乳酸に高感度を示し、その検出限界(LOD)は250フェムトグラム/リットル、即ち2.78e-12mmol/lであった。既存の乳酸測定器は、0.001~10mmol/lの間のLODを有する。ピレンNHSで機能化されたGFETは、既存の標準的な乳酸測定デバイスよりも感度が約108倍高い。GFETセンサは、高い信号対雑音比を有し、高感度であり、また結合のための表面積が広いことに起因して、表面とレセプタ分子との間の結合はより強力である。これらの因子の全ては、GFETを高感度にするのに非常に大きな差別化する役割を演ずる。 High sensitivity: The pyrene-NHS functionalized GFET showed high sensitivity to lactate with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter, i.e., 2.78e -12 mmol/l. Existing lactate meters have LODs between 0.001 and 10 mmol/l. The pyrene-NHS functionalized GFET is about 108 times more sensitive than the existing standard lactate measuring device. The GFET sensor has a high signal-to-noise ratio, is highly sensitive, and due to the large surface area for binding, the binding between the surface and the receptor molecules is stronger. All of these factors play a very differentiating role in making the GFET highly sensitive.
極性分子に起因したゲート変調:極性流体(水、塩など)では、極性分子(イオンなど)がNFET上に極性流体ゲート端子(PFGT)を形成することが観察された。グラフェン表面付近の極性分子は、誘電効果を誘起させ、電荷移動のためのチャネルを創出した。PFGTのゲート強度は、流体中の極性分子の電荷と濃度の両方に依存した。そのよう
な第3の極性流体ゲート端子(PFGT)は、極性流体中の乳酸濃度からの電気応答を変調させた。
Gate modulation due to polar molecules: In polar fluids (water, salt, etc.), polar molecules (ions, etc.) were observed to form a polar fluidic gate terminal (PFGT) on the NFET. The polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect and created a channel for charge transfer. The gate strength of the PFGT depended on both the charge and the concentration of the polar molecules in the fluid. Such a third polar fluidic gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from the lactate concentration in the polar fluid.
NFETの表面での極性流体の誘起運動:極性流体(人工汗中の乳酸など)は、NFET表面と極性流体との間の高い疎水性に起因して、NFETからすぐに弾かれまたは除かれるようになると考えられる。流体中の極性分子の濃度が高くなるほど、PFGTの強度が高くなり、したがって反発作用が大きくなる。NFET上のPFGTに起因した電気応答の変調と組み合わされたこの反発作用は、より高い感度の選択的および連続モニタリング乳酸システムを可能にした。
(実施例5)
追加の分析
Induced movement of polar fluids on the surface of the NFET: It is believed that polar fluids (such as lactate in artificial sweat) become quickly repelled or removed from the NFET due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the higher the strength of the PFGT and therefore the greater the repulsive effect. This repulsive effect combined with the modulation of the electrical response due to the PFGT on the NFET enabled a more sensitive selective and continuous monitoring lactate system.
Example 5
Further analysis
汗中塩濃度の相関:図21は、対応する汗中ナトリウム濃度に関する、汗センサ応答を表す。 Correlation of sweat salt concentration: Figure 21 shows the sweat sensor response with respect to the corresponding sweat sodium concentration.
高濃度のNaCl(0.1mg/dlから100mg/dl)を、グラフェンセンサに3分ごとに添加した。試験は、2ulの最低濃度(例えば、0.1mg/dl)を滴下することから開始し、その後、次に高い濃度(例えば、0.2mg/dl)を滴下し、以下同様に、3分の間隔で滴下した。対応する電圧の分数変化率を測定した。これを10個の異なるセンサで繰り返し、最大誤差15%が観察された。これは、汗中ナトリウムと対応する電圧変化との間の相関のモデルとして働く。 Increasing concentrations of NaCl (0.1 mg/dl to 100 mg/dl) were added to the graphene sensor every 3 minutes. The test started with dropping 2 ul of the lowest concentration (e.g., 0.1 mg/dl), followed by the next higher concentration (e.g., 0.2 mg/dl), and so on, at 3 minute intervals. The corresponding fractional rate of change in voltage was measured. This was repeated for 10 different sensors, with a maximum error of 15% observed. This serves as a model for the correlation between sweat sodium and the corresponding voltage change.
汗中グルコース濃度の相関:図22は、対応する汗中グルコース濃度に関する、汗センサ応答を表す。 Correlation of sweat glucose concentration: Figure 22 shows the sweat sensor response with respect to the corresponding sweat glucose concentration.
高濃度のグルコース(0.1mg/dlから100mg/dl)を、グラフェンセンサに3分ごとに添加した。試験は、5ulの最低濃度(例えば、0.1mg/dl)を滴下することから開始し、その後、次に高い濃度(例えば、0.2mg/dl)を滴下し、以下同様に、3分の間隔で滴下し、対応する電圧の分数変化率を測定した。これを10個の異なるセンサで繰り返し、最大誤差5%が観察された。これは、汗中グルコースと対応する電圧変化との間の相関のモデルとして働く。 Increasing concentrations of glucose (0.1 mg/dl to 100 mg/dl) were added to the graphene sensor every 3 minutes. The test started with dropping 5 ul of the lowest concentration (e.g., 0.1 mg/dl), followed by the next higher concentration (e.g., 0.2 mg/dl), and so on, at 3 minute intervals, and the corresponding fractional change in voltage was measured. This was repeated on 10 different sensors, with a maximum error of 5% observed. This serves as a model for the correlation between sweat glucose and the corresponding voltage change.
トランスコンダクタンス曲線:図23は、PFGTデバイスに関するトランスコンダクタンス曲線を表す。 Transconductance curves: Figure 23 shows the transconductance curves for the PFGT device.
0.1ng/dlから1mg/dlに及ぶ高濃度のNaCl溶液を、センサ上に3分ごとに滴下する。試験は、2ulの最低濃度(例えば、0.1ng/dl)を滴下することから開始し、その後、次に高い濃度(例えば、1ng/dl)を滴下し、以下同様に、3分の間隔で滴下した。 NaCl solutions of increasing concentrations, ranging from 0.1 ng/dl to 1 mg/dl, are dripped onto the sensor every 3 minutes. The test begins with dripping 2 ul of the lowest concentration (e.g., 0.1 ng/dl), followed by the next highest concentration (e.g., 1 ng/dl), and so on, at 3 minute intervals.
極性流体が導入されるにつれ、デバイ層がグラフェンセンサ上に形成され、ゲート効果が観察され、デバイ長およびゲート効果の両方が、極性分子の濃度の関数になる。NaCl溶液の初期濃度に関し、DIは、より大部分を占め、それに起因して、より多くの正孔が創出され、電圧降下が見られる。しかし、数滴後、NaClの濃度が溶液中で増加したときにはそれが大部分を占め、より多くの電子がデバイ層付近に創出され、それによって電圧の増加が示される。 As the polar fluid is introduced, a Debye layer forms on the graphene sensor and a gating effect is observed, with both the Debye length and the gating effect being functions of the concentration of the polar molecules. For the initial concentration of NaCl solution, the DI dominates and hence more holes are created and a voltage drop is observed. However, after a few drops, when the concentration of NaCl increases in the solution, it dominates and more electrons are created near the Debye layer, thereby indicating an increase in voltage.
これは、極性流体でゲート化されたグラフェンセンサのトランスコンダクタンス特性を示す。 This demonstrates the transconductance properties of the graphene sensor gated by a polar fluid.
上述の様々な方法および技法は、本発明を実施するいくつかの手法を提供する。当然ながら、本明細書に記載される任意の特定の実施形態に従って、必ずしも記載される全ての目的または利点を実現し得る必要がないことが理解されよう。したがって例えば、当業者なら、方法は、本明細書に教示されまたは提示され得るようなその他の目的または利点を必ずしも実現することなく、本明細書に教示されるような1つの利点または利点の群を実現しまたは最適化するように行うことができることが理解されよう。様々な有利なおよび不利な代替例が本明細書に記述される。一部の好ましい実施形態は、1つの、別の、またはいくつかの有利な特徴を特に含み、一方、その他は特に、1つの、別の、またはいくつかの不利な特徴を排除し、一方、さらなるその他は特に、1つ、別の、またはいくつかの有利な特徴を含むことによって本発明の不利な特徴を緩和することを理解されたい。 The various methods and techniques described above provide several ways of implementing the present invention. Of course, it will be understood that not all of the described objectives or advantages may be realized in accordance with any particular embodiment described herein. Thus, for example, one skilled in the art will understand that a method may be implemented to achieve or optimize one advantage or group of advantages as taught herein without necessarily achieving other objectives or advantages as may be taught or presented herein. Various advantageous and disadvantageous alternatives are described herein. It will be understood that some preferred embodiments specifically include one, another, or several advantageous features, while others specifically exclude one, another, or several disadvantageous features, while still others specifically mitigate an adverse feature of the present invention by including one, another, or several advantageous features.
さらに当業者なら、異なる実施形態からの様々な特徴の適用可能性が理解されよう。同様に、上記論じた様々な要素、特徴、およびステップ、ならびにそのような要素、特徴、およびステップに関するその他の公知の均等物を、本明細書に記載される原理に従い方法が行われるように、当業者が混合し適合させることができる。様々な要素、特徴、およびステップの中で、多様な実施形態ではいくつかが特に含まれ、その他は特に排除される。 Furthermore, one of ordinary skill in the art will understand the applicability of various features from different embodiments. Similarly, the various elements, features, and steps discussed above, as well as other known equivalents for such elements, features, and steps, can be mixed and matched by one of ordinary skill in the art to perform methods in accordance with the principles described herein. Of the various elements, features, and steps, some are specifically included and others are specifically excluded in various embodiments.
本発明は、ある特定の実施形態および実施例の文脈で開示されてきたが、当業者なら、本発明の実施形態が、特に開示された実施形態を超えてその他の代替の実施形態および/または使用とそれらの修正例および均等物にまで拡張されることが理解されよう。 Although the present invention has been disclosed in the context of certain specific embodiments and examples, those skilled in the art will appreciate that the embodiments of the present invention extend beyond the specifically disclosed embodiments to other alternative embodiments and/or uses and their modifications and equivalents.
多くの変形例および代替要素が、本発明の実施形態で開示されてきた。さらに他の変形例および代替要素が、当業者に明らかにされよう。 Many variations and alternative elements have been disclosed in the embodiments of the present invention. Still other variations and alternative elements will be apparent to those skilled in the art.
一部の実施形態では、本発明のある特定の実施形態を記載し特許請求するのに使用される、構成成分の量を表す数値、分子量などの性質、反応条件、および同様のものは、「約」という用語によって場合によっては修飾されていることを理解されたい。したがって一部の実施形態では、書かれた説明および添付された特許請求の範囲で述べられる数値パラメータは、特定の実施形態により得ることが求められる所望の性質に応じて変化することができる近似値である。一部の実施形態では、数値パラメータは、報告された有効桁の数に照らしてかつ通常の丸め技法を適用することによって、解釈されるべきである。本発明の一部の実施形態の広い範囲について述べる数値範囲およびパラメータが、近似値であるにも関わらず、特定の実施例で述べる数値は、実用可能な限り厳密に報告される。本発明の一部の実施形態で提示される数値は、それらのそれぞれの試験測定値に見出される標準偏差から得られるある特定の誤差を必ず含有していてもよい。 It should be understood that in some embodiments, the numerical values expressing amounts of components, properties such as molecular weight, reaction conditions, and the like, used to describe and claim certain embodiments of the present invention are in some cases modified by the term "about". Thus, in some embodiments, the numerical parameters set forth in the written description and appended claims are approximations that can vary depending on the desired properties sought to be obtained by a particular embodiment. In some embodiments, the numerical parameters should be construed in light of the number of reported significant digits and by applying ordinary rounding techniques. Notwithstanding that the numerical ranges and parameters setting forth the broad scope of some embodiments of the present invention are approximations, the numerical values set forth in the specific examples are reported as precisely as practicable. The numerical values presented in some embodiments of the present invention may necessarily contain certain errors resulting from the standard deviation found in their respective testing measurements.
一部の実施形態では、本発明の特定の実施形態について記載する文脈(特に、以下の特許請求の範囲のある特定の文脈)で使用される「a」および「an」および「the」という用語、ならびに類似の言及は、単数形および複数形の両方を包含すると解釈することができる。本明細書の値の範囲の列挙は、その範囲内に包含されるそれぞれ別個の値を個々に指す簡略な方法を単に意図するものである。本明細書で他に指示しない限り、個々の値のそれぞれは、本明細書に個々に列挙されたかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記述された全ての方法は、本明細書で他に指示しない限りまたは文脈により明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で行うことができる。本明細書のある特定の実施形態に関して提示される、任意のおよび全ての実施例、または例示的な言語(例えば、「~など」)の使用は、単に本発明をより良く例示することを意図するものであり、別様に特許請求されている本発明の範囲に制限を課すものではない。本明細書では、本発明の実施に必須の任意の、特許請求の範囲に記載されていない要素を示すと解釈されるべき言語はない。 In some embodiments, the terms "a" and "an" and "the" and similar references used in the context of describing certain embodiments of the invention (particularly in certain contexts of the claims below) can be construed to include both the singular and the plural. The recitation of ranges of values herein is merely intended as a shorthand way of individually referring to each separate value encompassed within that range. Unless otherwise indicated herein, each of the individual values is incorporated herein as if individually recited herein. All methods described herein can be performed in any suitable order unless otherwise indicated herein or clearly contradicted by context. The use of any and all examples or exemplary language (e.g., "such as") presented with respect to certain embodiments herein is intended merely to better illustrate the invention and does not impose limitations on the scope of the invention as otherwise claimed. No language herein should be construed as indicating any non-claimed element essential to the practice of the invention.
本明細書に開示される本発明の代替の要素または実施形態のグループ分けは、制限するものとは解釈されない。各群の構成要素は、個々に、または群のその他の構成要素もしくは本明細書に見出されるその他の要素との任意の組合せで、言及しかつ特許請求することができる。群の1つまたは複数の構成要素は、便宜上および/または特許性の理由で、群に含めることができまたは群から削除することができる。任意のそのような包含または削除が生じた場合、本明細書は、ここに修飾された群を含有するとみなされ、したがって添付される特許請求の範囲で使用される全てのMarkush群の、書かれた説明を満足させる。 Groupings of alternative elements or embodiments of the invention disclosed herein are not to be construed as limiting. The members of each group may be referred to and claimed individually or in any combination with other members of the group or other elements found herein. One or more members of a group may be included in or deleted from a group for reasons of convenience and/or patentability. When any such inclusion or deletion occurs, the specification is deemed to contain the group as modified herein, and thus satisfies the written description of all Markush groups used in the appended claims.
本発明の好ましい実施形態は、本明細書に記載される。それらの好ましい実施形態に関する変形例は、前述の説明を読むことによって当業者に明らかにされよう。当業者は、そのような変形例を適切に用いることができ、本発明は、本明細書に特に記載した以外に実施することができることが企図される。したがって、本発明の多くの実施形態は、適用法により許可されるような本明細書に添付される特許請求の範囲に列挙される主題の全ての修正例および均等物を含む。さらに、それらの全ての可能性ある変形例における上述の要素の任意の組合せは、他に本明細書で指示しない限りまたは他に文脈により明らかに矛盾しない限り、本発明に包含される。 Preferred embodiments of the invention are described herein. Variations on those preferred embodiments will become apparent to those of skill in the art upon reading the foregoing description. Those skilled in the art will be able to employ such variations as appropriate, and it is contemplated that the invention may be practiced otherwise than as specifically described herein. Accordingly, many embodiments of the invention include all modifications and equivalents of the subject matter recited in the claims appended hereto as permitted by applicable law. Moreover, any combination of the above-described elements in all possible variations thereof is encompassed by the invention unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by context.
さらに、数多くの参照が、本明細書の全体を通して特許および印刷された刊行物に対して行われてきた。上記引用された参考文献および印刷された刊行物は、それらの全体が参照により本明細書に個々に組み込まれる。 Additionally, numerous references have been made throughout this specification to patents and printed publications. The above cited references and printed publications are individually incorporated herein by reference in their entireties.
最後に、本明細書に開示された本発明の実施形態は、本発明の原理の例示であることを理解されたい。用いることができるその他の修正例は、本発明の範囲内とすることができる。したがって例として、限定することなく、本発明の代替の構成は、本明細書の教示に従い利用することができる。したがって本発明の実施形態は、厳密に示され記載されるものに限定するものではない。 Finally, it is to be understood that the embodiments of the invention disclosed herein are illustrative of the principles of the invention. Other modifications that may be employed are within the scope of the invention. Thus, by way of example, and not of limitation, alternative configurations of the invention may be utilized in accordance with the teachings herein. Thus, the embodiments of the invention are not limited to that precisely as shown and described.
本発明の好ましい実施形態によれば、例えば、以下が提供される。
(項1)
ドレイン電極と、
ソース電極と、
電気絶縁基板と、
前記基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを部分的に画定するナノスケール材料層であり、前記ナノスケール材料層および前記チャネルが、前記ドレイン電極およびソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、
前記ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子と
を含む、電界効果トランジスタであって、
前記極性流体が、標的分析物を含み、
前記極性流体が、前記標的分析物に応答して前記電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、電界効果トランジスタ。
(項2)
定電流または定電圧が、定電流ソースまたは定電圧ソースによって提供され、前記ソース電極およびドレイン電極の間に印加される、上記項1に記載の電界効果トランジスタ。(項3)
前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS2、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド、ホスホレン、ナノ粒子、量子ドット、フラーレン、2Dナノスケール材料、3
Dナノスケール材料、0Dナノスケール材料、1Dナノスケール材料、またはこれらの任意の組合せを含む、上記項1または2に記載の電界効果トランジスタ。
(項4)
前記極性流体が、極性分子を有する溶液、極性分子を有する気体、標的感知分析物、またはこれらの組合せを含む、上記項1から3のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項5)
前記極性流体が、汗、息、唾液、耳垢、尿、精液、血漿、生物流体、化学流体、空気試料、気体試料、またはこれらの組合せを含む、上記項1から4のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項6)
前記標的分析物が、電解質、グルコース、乳酸、IL6、サイトカイン、HER2、コルチゾール、ZAG、コレステロール、ビタミン、タンパク質、薬物分子、代謝物、ペプチド、アミノ酸、DNA、RNA、アプタマー、酵素、生体分子、化学分子、合成分子、またはこれらの組合せを含む、上記項1から5のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項7)
前記ナノスケール材料層上に堆積されたレセプタ層であって、標的分析物を標的とするレセプタを含むレセプタ層をさらに含む、上記項1から6のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項8)
前記レセプタが、ピレンボロン酸(PBA)、ピレンN-ヒドロキシスクシンイミドエステル(ピレン-NHS)、有機化学物質、芳香族分子、環状分子、酵素、タンパク質、抗体、ウイルス、一本鎖DNA(ssDNA)、アプタマー、無機材料、合成分子、生体分子を含む、上記項7に記載の電界効果トランジスタ。
(項9)
追加の機械的、電気的、化学的、生物学的機能性、またはこれらの組合せの支持をもたらすために前記ナノスケール材料層の下に裏面ポリマー層をさらに含む、上記項1から8のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項10)
前記裏面ポリマー層が、炭素ポリマー、バイオポリマー、PMMA、PDMS、フレキシブルガラス、ナノスケール材料、シリカゲル、シリコーン、インク、印刷ポリマー、またはこれらの任意の組合せを含む、上記項9に記載の電界効果トランジスタ。
(項11)
極性流体中の標的分析物を感知するための方法であって、
極性流体試料を電界効果トランジスタに曝露するステップであり、前記電界効果トランジスタが、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
電気絶縁基板と、
前記基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを少なくとも部分的に画定するナノスケール材料層であり、前記ナノスケール材料層および前記チャネルが、前記ドレイン電極およびソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、
前記ナノスケール材料層に曝露された前記極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子であり、前記極性流体が、前記標的分析物を含みかつ前記分析物を検出するために前記電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、極性流体誘起ゲート端子と
を含むステップ、
第1の時点で第1のソース-ドレイン電圧を、第2およびその後の時点で第2のソース
-ドレイン電圧を測定するステップ、ならびに
前記第1および第2のソース-ドレイン電圧に基づいて前記極性流体中の前記標的分析物の濃度を決定するステップ
を含む方法。
(項12)
前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS2、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド、ホスホレン、ナノ粒子、量子ドット、フラーレン、2Dナノスケール材料、3Dナノスケール材料、0Dナノスケール材料、1Dナノスケール材料、またはこれらの任意の組合せを含む、上記項11に記載の方法。
(項13)
前記電界効果トランジスタが、前記ナノスケール材料層上に堆積されたレセプタ層であって、標的分析物を標的とするレセプタを含むレセプタ層で機能化される、上記項11または12のいずれか一項に記載の方法。
(項14)
前記レセプタが、ピレンボロン酸(PBA)、ピレンN-ヒドロキシスクシンイミドエステル(ピレン-NHS)、有機化学物質、芳香族分子、環状分子、酵素、タンパク質、抗体、ウイルス、一本鎖DNA(ssDNA)、アプタマー、無機材料、合成分子、生体分子を含む、上記項13に記載の方法。
(項15)
前記標的分析物が、電解質、グルコース、乳酸、IL6、サイトカイン、HER2、コルチゾール、ZAG、コレステロール、ビタミン、タンパク質、薬物分子、代謝物、ペプチド、アミノ酸、DNA、RNA、アプタマー、酵素、生体分子、化学分子、合成分子、またはこれらの組合せを含む、上記項11から14のいずれか一項に記載の方法。
(項16)
前記極性流体が、極性分子を有する溶液、極性分子を有する気体、標的感知分析物、またはこれらの組合せを含む、上記項11から15のいずれか一項に記載の方法。
(項17)
前記第1および第2のソース-ドレイン電圧間の分数変化率を計算するステップ
をさらに含む、上記項11から16のいずれか一項に記載の方法。
(項18)
前記電界効果トランジスタの前記ソース電極およびドレイン電極間に定電流を印加するステップ
をさらに含む、上記項11から17のいずれか一項に記載の方法。
(項19)
前記電界効果トランジスタの前記ソース電極およびドレイン電極間に定電圧を印加するステップをさらに含む、上記項11から18のいずれか一項に記載の方法。
(項20)
前記極性流体が、汗、息、唾液、耳垢、尿、精液、血漿、生物流体、化学流体、空気試料、気体試料、またはこれらの組合せを含む、上記項11から19のいずれか一項に記載の方法。
(項21)
追加の機械的、電気的、化学的、生物学的機能性、またはこれらの組合せの支持をもたらすために前記ナノスケール材料層の下に裏面ポリマー層をさらに含む、上記項11から20のいずれか一項に記載の方法。
(項22)
前記裏面ポリマー層が、炭素ポリマー、バイオポリマー、PMMA、PDMS、フレキシブルガラス、ナノスケール材料、シリカゲル、シリコーン、インク、印刷ポリマー、またはこれらの任意の組合せを含む、上記項21に記載の方法。
(項23)
電界効果トランジスタと
電界効果トランジスタと電気接続された定電流ソースまたは定電圧ソースと
を含むシステムであって、
前記電界効果トランジスタは、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
電気絶縁基板と、
前記基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを部分的に画定するナノスケール材料層であり、前記ナノスケール材料層および前記チャネルが、前記ドレイン電極およびソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、
前記ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子と
を含み、
前記極性流体が、標的分析物を含み、
前記極性流体が、前記標的分析物に応答して前記電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、システム。
(項24)
前記定電流ソースが、前記電界効果トランジスタを通して定電流を維持する、上記項23に記載のシステム。
(項25)
前記定電圧ソースが、前記電界効果トランジスタ上で定電圧を維持する、上記項23に記載のシステム。
(項26)
電圧出力または電流出力が、有線または無線伝送を通してデジタルプラットフォームに伝達される、上記項23に記載のシステム。
(項27)
前記デジタルプラットフォームが、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートウォッチ、車内エンターテイメントシステム、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータ端末、テレビジョンシステム、電子ブックリーダ、ウェアラブルデバイス、またはデジタル入力を処理する任意のその他のタイプのコンピューティングデバイスを含む、上記項26に記載のシステム。
According to a preferred embodiment of the present invention, for example, the following is provided:
(Item 1)
A drain electrode;
A source electrode;
An electrically insulating substrate;
a nanoscale material layer disposed on the substrate, the nanoscale material layer partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between and electrically connected to the drain and source electrodes;
a polar-fluid-induced gate terminal created by a polar fluid exposed to the nanoscale material layer,
the polar fluid comprises a target analyte;
A field effect transistor, wherein the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes a gate voltage versus channel current characteristic of the field effect transistor in response to the target analyte.
(Item 2)
Item 3. The field effect transistor according to item 1, wherein a constant current or voltage is provided by a constant current source or a constant voltage source and is applied between the source electrode and the drain electrode.
The nanoscale material may be graphene, CNT, MoS2 , boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials,
3. The field effect transistor of claim 1 or 2, comprising 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.
(Item 4)
4. The field effect transistor of any one of claims 1 to 3, wherein the polar fluid comprises a solution having polar molecules, a gas having polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
(Item 5)
5. The field effect transistor of any one of claims 1 to 4, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, blood plasma, a biological fluid, a chemical fluid, an air sample, a gas sample, or a combination thereof.
(Item 6)
6. The field effect transistor of any one of claims 1 to 5, wherein the target analyte comprises an electrolyte, glucose, lactate, IL6, a cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, a vitamin, a protein, a drug molecule, a metabolite, a peptide, an amino acid, DNA, RNA, an aptamer, an enzyme, a biomolecule, a chemical molecule, a synthetic molecule, or a combination thereof.
(Item 7)
7. The field effect transistor of any one of claims 1 to 6, further comprising a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising a receptor that targets a target analyte.
(Item 8)
8. The field effect transistor according to item 7, wherein the receptor comprises pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), an organic chemical, an aromatic molecule, a cyclic molecule, an enzyme, a protein, an antibody, a virus, a single-stranded DNA (ssDNA), an aptamer, an inorganic material, a synthetic molecule, or a biomolecule.
(Item 9)
9. The field effect transistor of any one of claims 1 to 8, further comprising a backside polymer layer beneath the nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or a combination thereof.
(Item 10)
10. The field effect transistor of claim 9, wherein the backside polymer layer comprises a carbon polymer, a biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, a nanoscale material, a silica gel, a silicone, an ink, a printed polymer, or any combination thereof.
(Item 11)
1. A method for sensing a target analyte in a polar fluid, comprising:
exposing the polar fluid sample to a field effect transistor, said field effect transistor comprising:
A drain electrode;
A source electrode;
An electrically insulating substrate;
a nanoscale material layer disposed on the substrate, the nanoscale material layer at least partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between and electrically connected to the drain and source electrodes;
a polar-fluid-induced gating terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer, the polar fluid containing the target analyte and having a charge concentration sufficient to induce a polar-fluid gating voltage that optimizes a gate voltage vs. channel current characteristic of the field effect transistor for detecting the analyte;
The method includes the steps of measuring a first source-drain voltage at a first time point and a second source-drain voltage at a second and subsequent time point, and determining a concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first and second source-drain voltages.
(Item 12)
12. The method of claim 11, wherein the nanoscale material comprises graphene, CNT, MoS2 , boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.
(Item 13)
13. The method of any one of claims 11 or 12, wherein the field effect transistor is functionalized with a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising a receptor that targets a target analyte.
(Item 14)
14. The method according to claim 13, wherein the receptor comprises pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), an organic chemical, an aromatic molecule, a cyclic molecule, an enzyme, a protein, an antibody, a virus, a single-stranded DNA (ssDNA), an aptamer, an inorganic material, a synthetic molecule, or a biomolecule.
(Item 15)
15. The method of any one of claims 11 to 14, wherein the target analyte comprises an electrolyte, glucose, lactate, IL6, a cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, a vitamin, a protein, a drug molecule, a metabolite, a peptide, an amino acid, DNA, RNA, an aptamer, an enzyme, a biological molecule, a chemical molecule, a synthetic molecule, or a combination thereof.
(Item 16)
16. The method of any one of claims 11 to 15, wherein the polar fluid comprises a solution having polar molecules, a gas having polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
(Item 17)
17. The method of any one of clauses 11 to 16, further comprising the step of calculating a fractional rate of change between the first and second source-drain voltages.
(Item 18)
18. The method of any one of claims 11 to 17, further comprising the step of applying a constant current between the source and drain electrodes of the field effect transistor.
(Item 19)
19. The method of any one of claims 11 to 18, further comprising the step of applying a constant voltage between the source and drain electrodes of the field effect transistor.
(Item 20)
20. The method of any one of claims 11 to 19, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, blood plasma, a biological fluid, a chemical fluid, an air sample, a gas sample, or a combination thereof.
(Item 21)
21. The method of any one of claims 11 to 20, further comprising a backside polymer layer beneath the nanoscale material layer to provide additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or combinations thereof.
(Item 22)
22. The method of claim 21, wherein the backside polymer layer comprises a carbon polymer, a biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, a nanoscale material, a silica gel, a silicone, an ink, a printed polymer, or any combination thereof.
(Item 23)
A system including a field effect transistor and a constant current or voltage source electrically connected to the field effect transistor,
The field effect transistor is
A drain electrode;
A source electrode;
An electrically insulating substrate;
a nanoscale material layer disposed on the substrate, the nanoscale material layer partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between and electrically connected to the drain and source electrodes;
a polar-fluid-induced gating terminal created by a polar fluid exposed to the nanoscale material layer;
the polar fluid comprises a target analyte;
The system, wherein the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes a gate voltage vs. channel current characteristic of the field effect transistor in response to the target analyte.
(Item 24)
24. The system of claim 23, wherein the constant current source maintains a constant current through the field effect transistor.
(Item 25)
24. The system of claim 23, wherein the constant voltage source maintains a constant voltage on the field effect transistor.
(Item 26)
24. The system of claim 23, wherein the voltage output or current output is transmitted to a digital platform via wired or wireless transmission.
(Item 27)
27. The system of claim 26, wherein the digital platform comprises a smartphone, a tablet computer, a smartwatch, an in-car entertainment system, a laptop computer, a desktop computer, a computer terminal, a television system, an e-book reader, a wearable device, or any other type of computing device that processes digital input.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201662356729P | 2016-06-30 | 2016-06-30 | |
US201662356742P | 2016-06-30 | 2016-06-30 | |
US62/356,742 | 2016-06-30 | ||
US62/356,729 | 2016-06-30 | ||
PCT/IB2017/001003 WO2017216641A2 (en) | 2016-06-18 | 2017-06-30 | Polar fluid gated field effect devices |
JP2019518162A JP7129405B2 (en) | 2016-06-30 | 2017-06-30 | Field-effect devices gated by polar fluids |
JP2022107238A JP7449333B2 (en) | 2016-06-30 | 2022-07-01 | Field-effect device gated by polar fluid |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022107238A Division JP7449333B2 (en) | 2016-06-30 | 2022-07-01 | Field-effect device gated by polar fluid |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024055954A true JP2024055954A (en) | 2024-04-19 |
Family
ID=65762403
Family Applications (3)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019518162A Active JP7129405B2 (en) | 2016-06-30 | 2017-06-30 | Field-effect devices gated by polar fluids |
JP2022107238A Active JP7449333B2 (en) | 2016-06-30 | 2022-07-01 | Field-effect device gated by polar fluid |
JP2024031345A Pending JP2024055954A (en) | 2016-06-30 | 2024-03-01 | Polar fluid-gated field-effect devices |
Family Applications Before (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019518162A Active JP7129405B2 (en) | 2016-06-30 | 2017-06-30 | Field-effect devices gated by polar fluids |
JP2022107238A Active JP7449333B2 (en) | 2016-06-30 | 2022-07-01 | Field-effect device gated by polar fluid |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3472607A4 (en) |
JP (3) | JP7129405B2 (en) |
KR (2) | KR20240045375A (en) |
CN (2) | CN115753941A (en) |
WO (1) | WO2017216641A2 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA3067304C (en) | 2016-06-18 | 2024-05-07 | Graphwear Technologies Inc. | Polar fluid gated field effect devices |
CN108181367B (en) * | 2017-12-26 | 2020-07-21 | 湖北大学 | A kind of DNA sensor based on graphene transistor and its preparation method and application in DNA detection |
EP4501219A3 (en) | 2018-03-20 | 2025-04-09 | Graphwear Technologies Inc. | Replaceable sensor systems |
JP6876661B2 (en) * | 2018-09-13 | 2021-05-26 | 株式会社東芝 | Organic probe and molecule detector |
CN112345614B (en) * | 2019-08-08 | 2023-07-21 | 中国科学院微电子研究所 | Detector based on gallium nitride-based enhancement device and manufacturing method thereof |
EP3819260A1 (en) * | 2019-11-07 | 2021-05-12 | Infineon Technologies AG | A composite material, a chemoresistive gas sensor, a chemoresistive gas sensor system and a method for making and using same |
EP4124855A1 (en) | 2021-07-29 | 2023-02-01 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (CSIC) | Graphene biosensor for the detection of hepatitis c virus |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4587539B2 (en) * | 1999-09-13 | 2010-11-24 | アイメック | Apparatus for detecting analytes in samples based on organic materials |
JP4891550B2 (en) * | 2005-02-10 | 2012-03-07 | 独立行政法人科学技術振興機構 | N-type transistor, n-type transistor sensor, and n-type transistor channel manufacturing method |
CA2646465C (en) * | 2006-03-17 | 2015-06-16 | The Government Of The United States Of America As Represented By The Secretary, Department Of Health And Human Services | Apparatus for microarray binding sensors having biological probe materials using carbon nanotube transistors |
KR100773549B1 (en) * | 2006-04-03 | 2007-11-07 | 삼성전자주식회사 | How to detect biomolecules using same field effect transistor |
JP2010504517A (en) * | 2006-09-22 | 2010-02-12 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Semiconductor sensor device, diagnostic instrument having such a device and method for manufacturing such a device |
JP2008258594A (en) * | 2007-03-09 | 2008-10-23 | Hokkaido Univ | Carbon nanotube field effect transistor manufacturing method and biosensor device |
US20110275544A1 (en) * | 2007-10-01 | 2011-11-10 | University Of Southern California | Microfluidic integration with nanosensor platform |
US8169006B2 (en) * | 2008-11-29 | 2012-05-01 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Bio-sensor chip for detecting target material |
US8716029B1 (en) * | 2010-09-21 | 2014-05-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The United States | Carbon nanotube sensors employing synthetic multifunctional peptides for surface functionalization |
US8853667B2 (en) * | 2011-12-06 | 2014-10-07 | Jain Faquir C | Quantum dot gate FETs and circuits configured as biosensors and gene sequencers |
US8896032B2 (en) * | 2013-01-23 | 2014-11-25 | International Business Machines Corporation | Self-aligned biosensors with enhanced sensitivity |
WO2015054663A2 (en) * | 2013-10-11 | 2015-04-16 | The Regents Of The University Of California | Biomolecular interaction detection devices and methods |
US9765395B2 (en) * | 2014-04-28 | 2017-09-19 | Nanomedical Diagnostics, Inc. | System and method for DNA sequencing and blood chemistry analysis |
US11121334B2 (en) * | 2014-06-26 | 2021-09-14 | Trustees Of Tufts College | 3D graphene transistor |
US10429342B2 (en) * | 2014-12-18 | 2019-10-01 | Edico Genome Corporation | Chemically-sensitive field effect transistor |
-
2017
- 2017-06-30 CN CN202211200989.1A patent/CN115753941A/en active Pending
- 2017-06-30 CN CN201780050922.5A patent/CN109642888B/en active Active
- 2017-06-30 KR KR1020247010269A patent/KR20240045375A/en active Pending
- 2017-06-30 WO PCT/IB2017/001003 patent/WO2017216641A2/en unknown
- 2017-06-30 KR KR1020197001607A patent/KR102653287B1/en active Active
- 2017-06-30 EP EP17812823.7A patent/EP3472607A4/en active Pending
- 2017-06-30 JP JP2019518162A patent/JP7129405B2/en active Active
-
2022
- 2022-07-01 JP JP2022107238A patent/JP7449333B2/en active Active
-
2024
- 2024-03-01 JP JP2024031345A patent/JP2024055954A/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115753941A (en) | 2023-03-07 |
WO2017216641A2 (en) | 2017-12-21 |
CN109642888B (en) | 2022-11-01 |
JP7449333B2 (en) | 2024-03-13 |
EP3472607A2 (en) | 2019-04-24 |
JP7129405B2 (en) | 2022-09-01 |
EP3472607A4 (en) | 2020-02-19 |
KR20240045375A (en) | 2024-04-05 |
CN109642888A (en) | 2019-04-16 |
JP2022121664A (en) | 2022-08-19 |
KR20190027828A (en) | 2019-03-15 |
WO2017216641A3 (en) | 2018-02-15 |
JP2019525200A (en) | 2019-09-05 |
KR102653287B1 (en) | 2024-03-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7449333B2 (en) | Field-effect device gated by polar fluid | |
US12298215B2 (en) | Polar fluid gated field effect devices | |
Sheibani et al. | Extended gate field-effect-transistor for sensing cortisol stress hormone | |
Ohno et al. | Chemical and biological sensing applications based on graphene field-effect transistors | |
Yan et al. | Solution‐gated graphene transistors for chemical and biological sensors | |
Park et al. | Ultrasensitive flexible graphene based field-effect transistor (FET)-type bioelectronic nose | |
Knopfmacher et al. | Nernst limit in dual-gated Si-nanowire FET sensors | |
Hossain et al. | Ultrasensitive WSe2 field-effect transistor-based biosensor for label-free detection of cancer in point-of-care applications | |
Kwon et al. | Nanoscale FET-based transduction toward sensitive extended-gate biosensors | |
Kehayias et al. | Kelvin probe microscopy and electronic transport measurements in reduced graphene oxide chemical sensors | |
Wang et al. | High-stability pH sensing with a few-layer MoS2 field-effect transistor | |
Jeon et al. | Scaling and graphical transport-map analysis of ambipolar Schottky-barrier thin-film transistors based on a parallel array of Si nanowires | |
Rollo et al. | High aspect ratio fin-ion sensitive field effect transistor: Compromises toward better electrochemical biosensing | |
Wei et al. | Extended gate ion-sensitive field-effect transistors using Al2O3/hexagonal boron nitride nanolayers for pH sensing | |
JP2019525200A5 (en) | ||
Dutta et al. | Fabrication, characterization and electrochemical modeling of CNT based enzyme field effect acetylcholine biosensor | |
US20220170920A1 (en) | Apparatus and method for measuring hormone concentration in biofluids | |
Chen et al. | Device noise reduction for silicon nanowire field-effect-transistor based sensors by using a Schottky junction gate | |
Yue et al. | Fabrication of integrated field-effect transistors and detecting system based on CVD grown graphene | |
Sultan et al. | Effect of Phosphate Buffered Saline Solutions on Top‐Down Fabricated ZnO Nanowire Field Effect Transistor | |
Pindoo et al. | Increased sensitivity of biosensors using evolutionary algorithm for bio-medical applications | |
Yadav et al. | trench gate JAM dielectric modulated nanowire FET (TG-JAM-DM-NWFET) biosensor | |
Rahmani et al. | Analytical prediction of carbon nanoscroll-based electrochemical glucose biosensor performance | |
Jin et al. | Ultrasensitive graphene field-effect biosensors based on ferroelectric polarization of lithium niobate for breast cancer marker detection | |
Rahmani | Performance analysis of electrochemical detection platform for DNA hybridization using TGN-based nanobiosensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240301 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20241101 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20250131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20250425 |