JP7449333B2 - Field-effect device gated by polar fluid - Google Patents
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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 filed on June 30, 2016 with the title “DETECTION OF IONIC CONCENTRATION IN FLUID USING NANOSCAL.”
US Provisional Patent Application No. 62/356,729 entitled “MATERIALS VIA A CAPACITIVE RESPONSE” and “LACTATE-OXIDASE-FUNCTIONALIZED GRAPHENE POLYMER C” filed on June 30, 2016. OMPOSITES FOR LABEL-FREE DETECTION OF LACTATE IN SWEAT 62/356,742, each of which is hereby incorporated by reference in its entirety. It is used in
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 THE INVENTION The invention disclosed herein relates generally to the design, fabrication, and applications of polar fluid gated nanoscale field effect transistors (NFETs), and in particular graphene field effect transistors (GFETs). The present disclosure also relates generally to chemical and biological sensing using field effect transistors, and more particularly to chemical and biological sensing using field effect transistors with biochemically sensitive channels including graphene. Also related to chemical sensing.
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. Generally, a FET has three terminals (eg, source, drain, and gate) and an active channel. Through an active channel formed, for example, by a semiconductor material, charge carriers (electrons or holes) flow from the source to the drain.
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 the carrier enters the channel. The drain (D) is where the carrier leaves the channel. The drain-source voltage is VDS, and the source-drain current is IDS. The gate (G) modulates the channel conductivity by applying a gate voltage (VG) such 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. A field effect transistor includes a drain electrode, a source electrode, an electrically insulating substrate, and a nanoscale material layer disposed on the substrate that partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel. the scale material layer and the channel are created by a nanoscale material layer extending between and electrically connected to a drain electrode and a source electrode, and a polar fluid exposed to the nanoscale material layer; and a polar fluid induced gate terminal. In some embodiments, the polar fluid includes the 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 versus 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 constant voltage is provided by a constant current or 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 is graphene, CNT, MoS2 , boron nitride, metal dichalcogenide, phosphorene, nanoparticle, quantum dot, fullerene, 2D nanoscale material, 3D nanoscale material, 0D nanoscale material , 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 includes a solution with polar molecules, a gas with 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 polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof. The field effect transistor according to any one of the items.
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, target analytes include electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, including 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 is pyreneboronic 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 chain Includes 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 includes a backside polymer layer beneath the nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or a combination thereof. include.
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: 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 includes exposing a polar fluid sample to a field effect transistor, the field effect transistor having a drain electrode; a source electrode; an electrically insulating substrate; an electrically conductive and chemically sensitive substrate disposed on the substrate; a nanoscale material layer at least partially defining a channel, the nanoscale material layer and the channel extending between and electrically connected to a drain electrode and a source electrode; a polar fluid-induced gate terminal created by a polar fluid exposed to a layer of nanoscale material, the polar fluid containing the target analyte and detecting the analyte by controlling the gate voltage versus channel current of the field effect transistor; a polar fluid-induced gate terminal having a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes performance; measuring a second source-drain voltage at the time; and determining a concentration of a 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 materials include graphene, CNTs, MoS, 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, where the receptor layer includes 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 is pyreneboronic 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 chain Includes 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, target analytes include electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, including 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 includes 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 the source and drain electrodes 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 includes 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, 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、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, disclosed herein is a field effect transistor and a system that includes: a field effect transistor;
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 constant voltage source that is electrically connected to a field effect transistor. A field effect transistor comprises: a drain electrode; a source electrode; an electrically insulating substrate; a nanoscale material layer disposed on the substrate that at least partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel; and a nanoscale material layer, wherein the channel extends between and is electrically connected to the drain and source electrodes; and a gate terminal. In some embodiments, the polar fluid includes the 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 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 the 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 communicated to the digital platform through 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 processes a smartphone, tablet computer, smart watch, in-car entertainment system, laptop computer, desktop computer, computer terminal, television system, e-book reader, wearable device, or digital input. including any other type of computing device.
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 those skilled in the art, any embodiment disclosed herein can be used in conjunction with any aspect of the invention, 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 understand that the drawings shown below are for illustrative purposes only. The drawings are not intended to limit the scope of the present teachings.
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 INVENTION Disclosed herein are nanoscale field effect transistors and methods of making and using the same.
Common 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 significant mechanical resistance, which allows monolayer or bilayer thicknesses to be subjected to significant mechanical stress without losing its primary electrical properties. Such mechanical strength makes graphene an ideal candidate to replace the transparent conducting oxide (TCO) current generation offered by indium tin oxide (ITO). Unlike graphene, ITO is brittle and susceptible to mechanical stress; 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), with transparency higher than 90% and better than 100% after proper processing. It also results in fewer atomic layers with lower sheet resistance.
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 generally fabricated on a Si wafer covered with a SiO2 layer, and the graphene forms the transistor channel. The 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 graphene's characteristic ambipolar transport behavior 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 the GFET, including, for example, the information disclosed in International Patent Publication No. WO2015/164,552, 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
FIG. 1B illustrates the current between the source and drain as controlled by the gate voltage. By varying the direction and magnitude of the gate voltage, the resulting current curve between the source and drain takes a "V" shape. Small changes in gate voltage at the tip of the V-curve result in significant and detectable changes in the channel current ( IDS ), which tends to flatten out at the two end points of the V-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, a new type of field effect transistor (FET) without a physical gate is disclosed herein.
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 physical gates. 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 made of polyamide, PET, PDMS, PMMA, other plastics, silicon dioxide, silicon, glass, aluminum oxide, sapphire, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, silicon. It can be an alloy with germanium, a fabric, a textile, a silk, a paper, a cellulose-based material, an insulator, a metal, a semiconductor, and can be rigid, flexible, or any combination thereof. In some embodiments, substrate 1 can be a silicon carbide substrate, and 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 source electrodes include silver, gold, carbon, graphite ink, conductive fabrics, conductive textiles, metals, conductive materials, conductive polymers, conductive gels, ionic Includes, but is not limited to, 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 source electrodes include silver, gold, carbon, graphite ink, conductive fabrics, conductive textiles, metals, conductive materials, conductive polymers, conductive gels, ionic Including, but not limited to, 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 may have one or more monolayers of graphene of uniform thickness, preferably a predetermined thickness. Since the thickness influences the electrical properties, e.g. bandgap, carrier concentration, etc., a uniform and preferably predetermined thickness provides control over the sensing properties and allows for reproducible devices with less variation between individual sensors. enable formation.
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 for the graphene layer may be a substrate on which the graphene layer is epitaxially grown. By leaving the graphene layer on the substrate for growth, we do not necessarily have to deal with typically nano-thin graphene layers and structures. The risk of damaging the thin graphene layer during transistor fabrication is also reduced if the graphene layer can remain 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 pyreneboronic 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, graphene layer 5 and/or certain types of chemicals are thus prevented from reaching the chemically sensitive channels. Surface treatment 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. Also, when doped, new modalities can be added to the sensing response. For example, the backside polymer can be doped with biomolecules that can also bind to specific targets and participate in resistance changes in 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, backside polymer layer 6 is omitted. In device 230, receptor layer 4 is omitted. In device 240, both backside polymer layer 6 and 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 an infinitely large aromatic molecule, the final case of the family of flat polycyclic aromatic hydrocarbons. 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 bonds to its three nearest neighbors, forming a hexagonal lattice. For each atom, four electrons are delocalized over the entire graphene layer, allowing conduction of electron current.
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 will cause charge rearrangement in the polar fluid to form a liquid-induced gate voltage, which increases the voltage between the source and drain electrodes. Current can be modulated.
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 moving. As illustrated, the charge of the polar or ionic component is redistributed within 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 cause a shift in the x-axis (voltage) in the V-shaped current versus fluid gate voltage curve. As noted, at the tip of the V-curve, a small change in gate voltage can result in a significant and detectable change in the channel current ( IDS ), which flattens out at the two end points of the V-curve. There is a tendency to A shift toward the tip of the V-curve can result in increased sensitivity, allowing very small changes in voltage to be detected in response to changes in current. 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-curve can result in better sensitivity. Such a shift can be caused by 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 in the V-shaped curve can be correlated to a wide range of charged particle concentrations. In some embodiments, the shift is correlated to charged particle concentrations as low as 1 femtog/L (eg, NaCl). In some embodiments, the shift correlates to charged particle concentrations as high as 300 g/L (eg, 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。 FIG. 3B illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal with polar fluid flowing in a first direction. The magnitude of the gate potential (V FG ) is directly proportional to the polar fluid flow rate. The sign or direction of V FG depends on the direction in which the polar fluid flows; eg, along and across the source-drain terminal. For example, if the gate voltage is positive along the source-drain direction, it becomes negative in the opposite 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 becomes negative along the Y direction and vice versa. When the polar fluid flow direction changes, the gate voltage direction 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 where polar fluid flows in a second direction opposite the first direction.
Detecting gate voltage at polar fluid gate terminals
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。 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。 FIG. 4A illustrates an exemplary embodiment showing a base device with a dielectric layer 7 and a gate metal 8. FIG. Here, the base device can be any illustrated in FIGS. 2A-2D, such as 210, 220, 230, and 240. Gate potential is measured between the gate metal and ground. A dielectric layer 7 is added under the substrate of the base device (eg substrate 1 as illustrated in FIGS. 2A to 2D). Gate metal 8 is added below dielectric layer 7 . Gate metal 8 is applied only to measure the induced gate voltage; no voltage is applied through gate metal 8. In some embodiments, Vg1 can be varied non-linearly depending on the PFGT device characteristics and the type of channel. For example, if the channel is graphene (ambipolar), Vg1 can follow the 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)。 FIG. 4B illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in FIGS. 2A-2D with metal electrodes added within 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 non-linearly depending on PFGT device characteristics and channel type. For example, if the channel is graphene (ambipolar), Vg2 follows the transconductance response typical of graphene devices (see, eg, FIG. 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。 FIG. 4C illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in FIGS. 2A-2D with enhanced dielectric and gate metal and metal electrodes within the PFGT. Two gate potentials are measured as indicated. The two gate potentials (Vg1 and Vg2) are electrical outputs that are modulated using source-drain current/voltage and induced PFG. Simultaneous measurements of Vg1 and Vg2 can be achieved using tri-gated structures, which can use developed 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。 FIG. 4C illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in FIGS. 2A-2D with enhanced dielectric and gate metal and metal electrodes within the PFGT. Two gate voltages (eg, Vg1 and Vg2) are applied to the PFGT to modulate the overall electrical characteristics of the PFGT device to suit the desired application. Simultaneous modulation with Vg1 and Vg2 creates a tri-gated structure that can be used to shift device operation to desired electrical performance in a more controlled manner using minimal energy. Such devices can be used to develop next generation microprocessors, logic gates, computing 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。 FIG. 5A illustrates an exemplary embodiment showing a circuit used for sensor readout via a polar fluid 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 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。 FIG. 5B illustrates an exemplary embodiment showing another circuit used for sensor readout via a PFGFET. Here, a constant voltage (Vs) is supplied to the PFGFET. The 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 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. It will be. Furthermore, 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 embodiments of the invention disclosed herein. Those skilled in the art will appreciate that the techniques disclosed in the examples that follow represent techniques that have been found to work satisfactorily in carrying out the invention, and therefore constitute examples of the mode for carrying out the invention. You should understand that you can. However, those skilled in the art, in light of this disclosure, may make many changes in the specific embodiments disclosed without departing from the spirit and scope of the invention and still obtain the same or similar results. That will be understood.
(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 deposited onto the graphene, typically less than 0.5 mm thick, and then separated from the catalyst substrate on which the graphene was grown. A flexible polymer platform for the sensing system was used for staging the graphene polymer composite and two metal electrical contacts. A graphene polymer composite was attached to a flexible polymer platform. A solution of the desired linker molecules is deposited onto the graphene polymer composite and incubated. Excess linker molecule solution was removed from the graphene polymer composite; two metal electrical contacts were deposited on opposite 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 sensor was then ready for use. In some cases, receptors for specific analytes were deposited on graphene layers.
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 composite bonded to a flexible polymer platform;
o Source and drain electrodes positioned within the sensor arrangement at opposite edges of the layer of graphene polymer composite, also bonded to the flexible polymer platform;
○ A source electrode and a drain electrode each made of a conductive metal;
○ The graphene polymer composite layer is functionalized with a linker molecule between the two electrodes for the desired analyte biosensing; and ○ The sensor system is placed in close proximity to the source of clean sweat to be analyzed. I let it and held it.
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 the functionalized graphene polymer composite sensor having conduction channels;
o Measuring the first source-drain voltage via the sensor;
o Exposure to clean sweat by bringing the conduction channel in close proximity to the source of sweat;
o Binding the analyte to the linker molecule by releasing electrons through the linker into the channel, resulting in a change in potential across the channel;
o Measuring the second source-drain voltage via the sensor;
o Determining the analyte concentration 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 analysis, a fixed current or voltage was passed through the sensor. The electrical response of the GFET sensor was recorded for analyte in polar solution using analyte in deionized (DI) water as a negative control. The DI water response for the functionalized GFET was also measured. Analytes included NaCl, D-glucose, and lactic acid.
(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 for: NaCl concentration in DI water or DI water response on 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 a 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 the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on; for example, 0.05 g/L in the example shown in Figure 6. to 0.1. This continued until all concentrations were 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 does not give a significant response to DI water alone, and the linear response is to high NaCl concentrations in DI water. Increasing concentration changed the voltage across the channel, which showed 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 the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. Here, the concentration was increased logarithmically, eg, from 0.1 ng/dL to lng/dL, then lOng/dL, then to 0.1 ug/dL, and so on. This 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 does not give a significant response to DI water alone, with an exponential response starting from the lowest concentration of NaCl in DI water to the highest concentration of NaCl. Increasing concentrations varied the voltage across the channel, thereby showing a high sensitivity of about 250 femtograms/liter towards NaCl in DI water as a control.
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 test required subjects to perform physical activities such as running and occasionally use water to hydrate.
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。 The GFET was worn by human subjects on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). Electrical responses due to chloride concentration in sweat were transmitted and recorded continuously (every 500 milliseconds) while the subject performed strenuous physical activity (such as running). Changes in chloride concentration in sweat were observed as represented by the fractional rate of change of voltage, as illustrated in FIG.
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。 FIG. 8 shows real-time concentration of sweat osmolality for two human subjects using a PFGFET attached to the skin. The osmolality concentration in sweat was directly correlated to an individual's physical performance. Subject 1 was a sprinter and Subject 2 was a jogger. A sprinter (Subject 1) ran the same distance at a faster pace (Run 1) compared to a 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 of body osmolarity was observed during periods of the most intense physical activity. Body osmolarity was also observed to decrease during periods of intense physical activity. This was caused when the subject consumed too much water without proper salt supplementation. In the data, a slope of the curve toward 0 indicates hyponatremia. During this period, the body tries to retain as much salt as possible (to maintain ionic balance), and therefore the overall body osmotic 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) gave high 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: The PBA functionalized GFET exhibited high sensitivity to NaCl, with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter. 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 molecules is stronger. All of these factors play a very differentiating role in making a 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, salts, etc.), polar molecules (ions, etc.) have been observed to form polar fluid gate terminals (PFGTs) on NFETs. Polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect and created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and concentration of polar molecules in the fluid. Such a third polar fluid 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 measured continuously in the fluid by modulating the NFET channel current from the induced polar fluid gate terminal. Once the ionic solution was removed from the surface of the NFET, the electrical response of the polar fluid 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 motion of polar fluid on the surface of the NFET: Polar fluids (such as NaCl in DI water) are quickly repelled or removed from the NFET due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. It is considered to be. The higher the concentration of polar molecules (eg, NaCl) in the fluid, the stronger the PFGT and therefore the greater the repulsive effect. This repulsive effect combined with the modulation of the PFGT-induced electrical response by NaCl molecules on the NFET enabled a selective and continuous monitoring electrolyte system with higher sensitivity.
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, a GFET was worn by a human subject on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). Sweat is diluted and ultrafiltered blood. Electrical responses due to chloride concentrations in sweat are measured continuously during a) strenuous physical activity (training), b) less strenuous physical activity (such as sitting at an office desk and eating). (every 500 milliseconds) and recorded. Background ion concentrations in sweat (primarily NaCl) were observed to form PFGTs on two-terminal GFET devices. Changes in the gating strength of the induced PFGT on the GFET due to Cl ions enabled continuous non-invasive monitoring of Cl ion molecules in human sweat. It has been observed that sweat is a very good polar fluid for continuously measuring chloride concentration because 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:
o D-glucose concentration in DI water o D-glucose concentration in artificial sweat (DI + NaCl + lactic acid) o D-glucose concentration in DI water on non-functionalized GFET o Lactose concentration in DI water on functionalized device (control 1)
○ Artificial sweat concentration on functionalized device (Control 2)
o DI Water Response with Functionalized GFET o Human Sweat Glucose Measurement: Real-time continuous monitoring of glucose concentration was performed in human sweat using a wearable GFET/PBA sensor. Real-time continuous sweat glucose responses were correlated to blood glucose measurements using a commercially available 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, a graphene FET was functionalized with a linker molecule (Lock) that specifically binds glucose molecules in a fluid. As an example, a GFET was functionalized with pyreneboronic acid (PBA). Pyreneboronic 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 less than 0.5 mm thick, and then separated from the catalyst 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.
○ The graphene polymer was then introduced into a solution of PBA for 5-20 minutes for functionalization at room temperature.
o 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 a 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 various concentrations of D-glucose 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 by introducing the lowest concentration of 5 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. This continued until all concentrations were 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 does not give a significant response to DI water or lactose solutions alone, and the exponential response is to high D-glucose concentrations in DI water. Increasing concentration changed the voltage across the channel, which showed 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 versus glucose response in DI water: The response of various D-glucose concentrations in DI water and NaCl solutions was measured on a GFET to determine the response for D-glucose in DI water versus D-glucose in NaCl. The sensitivity of the functionalized sensor was studied and the effect of NaCl solution was understood.
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 were prepared containing various concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL in DI water and NaCl, respectively. The test started by introducing the lowest concentration of 5 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. Here, the concentration increased logarithmically. This continued until all concentrations were 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 amplified over that in DI water. The polar solution providing 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 a 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 the lowest concentration of 5 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. Here, the concentration increased logarithmically. This continued until all concentrations were introduced into 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。 FIG. 11 shows that the GFET did not give a significant response to NaCl solutions alone, but showed a linear response to solutions of increasing D-glucose concentration at a fixed NaCl concentration versus solutions of increasing NaCl concentration. Increasing concentration changed the voltage across the channel, thereby demonstrating high selectivity for D-glucose. A GFET (NFET) functionalized with PBA gave a high 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 shows that the functionalized glucose sensor is not sensitive to NaCl (as the orange curve is fairly flat), whereas the glucose curve increases as the concentration of glucose present in the NaCl solution increases. It gives an idea.
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 measurements of D-glucose response in DI water: Various D-glucose concentration responses in DI were measured on a 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 started by introducing 5 ul of DI water over the GFET every 3 minutes, followed by the lowest concentration of 5 ul, followed by the next higher concentration 3 minutes later. , and so on. Here the concentration increased logarithmically; for example from 0.25 pg/l then 2.5 pg/l and so on. This continued until all concentrations were introduced onto 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。 Figure 12 shows that the GFET does not give a significant response to DI water alone, with a linear response starting from the lowest concentration to the highest concentration, and increasing concentration changes the current across the channel, thereby , a high sensitivity of about 250 femtograms/liter (ie 1.38e −12 mmol/l) for D-glucose was demonstrated.
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 Step: 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 stage of the GFET fabrication steps and how the GFET's current response changes after each stage. For example, Figure 13 shows an increase in the current response after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue), which indicates that the linker molecules are connected by π-π bonds and that the graphene surface This is caused by an increase in all the charges on the The linker molecule attracts the glucose molecule and binds to it 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 human sweat glucose concentrations were performed in human subjects. The test required subjects to perform physical activities such as running, take blood samples, and measure their blood sugar every few minutes using a glucose meter. The GFET was worn by human subjects on the forearm and lower back (eccrine sweat glands). Electrical responses due to D-glucose concentrations in sweat were transmitted and recorded continuously (every 500 milliseconds) while the subject performed strenuous physical activity (such as 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 a person eats a meal, 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。 In the case of running, as you begin to run, your body uses glucose and breaks it down to obtain energy for your run. Therefore, a decrease in glucose is seen. However, after some point, the body's insulin begins to act and total glucose levels begin 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。 FIG. 14 shows the change in sweat D-glucose concentration as expressed by the fractional rate of change of 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 period of training. Sweat glucose measurements were correlated with blood sugar measurements. Now, we plot the sweat glucose values against the corresponding blood sugar values again against the blood (blood vs. sweat) to obtain a correlation R2 , which is how well the sweat glucose matches the blood sugar. I got an idea.
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。
FIG. 16 further shows the correlation of measurements between blood sugar and sweat glucose. Here, three different sensors were used on the same person for the same amount of time. Over 150 curves for sweat glucose were collected and correlated from 10 human subjects, along with blood glucose over the entire duration of the study. Subjects performed physical activity (e.g., training, running) or no physical activity (e.g., sitting at a desk). For these 150 curves, the calculated correlation was R 2 =84% between sweat and blood, as shown in FIG.
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) gave high 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: The PBA-functionalized GFET exhibited high sensitivity to D-glucose, with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter, or 1.38e −12 mmol/liter. 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 measurement 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 molecule is stronger. All of these factors play a very differentiating role in making a 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, salts, etc.), polar molecules (ions, etc.) have been observed to form polar fluid gate terminals (PFGTs) on NFETs. Polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect and created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and concentration of polar molecules in the fluid. Such a third polar fluid 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 the PBA-glucose bond 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 (such as ions) in the polar fluid, the greater the reversibility of the PBA-D-glucose bond. When the concentration of glucose bound to the sensor becomes higher than the glucose concentration in sweat due to its Gibbs free energy, the glucose molecules become released from the PBA, and a reversible property is observed; This is clearly seen in the electrical response recorded in Figure 14 as the concentration of glucose momentarily drops. This allows 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 movement of polar fluid on the sensor surface: Movement of polar fluid (such as glucose in salt) on the NFET increases the removal of bound glucose molecules from the linker molecule It was observed that As an example, when the glucose solution was removed from the graphene surface of the GFET, the electrical response of the GFET returned 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 motion of polar fluid on the surface of NFET: Polar fluid (such as glucose in salt) is quickly repelled or removed from the NFET due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. It is considered to be. The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the stronger the PFGT and therefore the greater the repulsion effect. This repulsive action, 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, result in a more sensitive selective and continuous monitoring glucose system. made possible.
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: GFET functionalized with PBA
was worn on the forearm and lower back (eccrine sweat glands) by human subjects. Sweat is diluted and ultrafiltered blood. Electrical responses due to D-glucose concentrations in sweat are continuously measured while the subject engages in a) strenuous physical activity (training) and b) non-vigorous physical activity (such as sitting at an office desk and eating). The target was transmitted and recorded every 500 milliseconds. Sweat glucose responses were correlated to blood glucose readings obtained every few minutes using a blood glucose meter over the length of activity (typically 20 minutes to over 6 hours). Background ion concentrations in sweat (mainly NaCl) were observed to form PFGTs on two-terminal GFET/PBA devices. The increased reversibility between PBA and D-glucose binding due to PFGT on GFET has 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. It has been observed that sweat is a very good polar fluid for continuously measuring glucose 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 lactic acid molecules in the fluid. As an example, GFETs were functionalized onto graphene surfaces using lactate oxidase (LOx) and intermediate pyrene-NHS coupling chemistry.
o The polymer is deposited on the graphene, typically less than 0.5 mm thick, and then separated from the catalyst substrate on which it is 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 for 520 minutes at room temperature.
o 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 in non-functionalized GFET ○ Lactic acid concentration in NaCl in functionalized GFET ○ Artificial sweat concentration in functionalized device ( Control 2)
○ DI water response in functionalized GFET.
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 a GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactate. Solutions of lactic acid at various concentrations ranging from 0 to 25 mM in DI water were prepared. The test started by introducing the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. This continued until all concentrations were 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 does not give a significant response to DI alone, and the polynomial response is to high lactate concentrations in DI water; increasing concentration changes the voltage across the channel; Thereby, high selectivity towards lactic acid in DI water was demonstrated 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 different solutions: The response of different lactate concentrations in different solutions is measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactate and the response on the non-functionalized sensor. did. Solutions containing various concentrations of lactic acid ranging from 0 to 25 mM in NaCl and NaCl glucose were prepared. The test started by introducing the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. This was continued for each solution separately until all concentrations were 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 only to the NaCl and NaCl glucose controls, but gave a polynomial response to increasing lactate concentrations in the NaCl and NaCl glucose solutions. Increasing concentration changed the voltage across the channel, thereby showing high selectivity for lactate. There was no significant response with the non-functionalized sensor for lactate NaCl solution, further highlighting the selectivity and sensitivity of the sensor towards 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 versus DI water: The response of various lactate concentrations in DI water and NaCl solutions was measured on a GFET to determine the sensitivity of the functionalized sensor to lactate in DI water versus lactate in NaCl. studied and understood the effect of NaCl solution. Solutions were prepared containing various concentrations of lactic acid ranging from 0.1 to 100 mg/dL in DI water and NaCl, respectively. The test started by introducing the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, followed by the next higher concentration 3 minutes later, and so on. This 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 that 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 through GFET fabrication: The current response for the graphene sensor before functionalization, after functionalization, and after introducing lactic acid onto the sensor is illustrated in FIG. 20. This helps understand each stage of the GFET fabrication steps and how the GFET's current response changes after each stage. 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 lactic acid 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) gave high 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 exhibited high sensitivity to lactic acid, with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter, or 2.78e −12 mmol/liter. Existing lactate meters have LODs between 0.001 and 10 mmol/l. The pyrene NHS functionalized GFET is approximately 108 times more sensitive than existing standard lactate measurement 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 molecule is stronger. All of these factors play a very differentiating role in making a 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, salts, etc.), polar molecules (ions, etc.) have been observed to form polar fluid gate terminals (PFGTs) on NFETs. Polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect and created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and concentration of polar molecules in the fluid. Such a third polar fluid 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: Polar fluids (such as lactic acid in artificial sweat) are quickly repelled or removed from the NFET due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. It is thought that it will become. The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the stronger the PFGT and therefore the greater the repulsion effect. This repulsive effect combined with the modulation of the electrical response due to the PFGT on the NFET enabled a selective and continuous monitoring lactate system with higher sensitivity.
(Example 5)
Additional 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。 Sweat Salt Concentration Correlation: Figure 21 depicts 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。 High concentrations of NaCl (0.1 mg/dl to 100 mg/dl) were added to the graphene sensor every 3 minutes. The test begins by 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 for 3 minutes. Dropped at intervals. The corresponding fractional rate of change of voltage was measured. This was repeated with 10 different sensors and a maximum error of 15% was 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。 Sweat Glucose Concentration Correlation: Figure 22 depicts sweat sensor responses with corresponding sweat glucose concentrations.
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。 High concentrations of glucose (0.1 mg/dl to 100 mg/dl) were added to the graphene sensor every 3 minutes. The test begins by 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 for 3 minutes. It was dropped at intervals and the corresponding fractional rate of change of voltage was measured. This was repeated with 10 different sensors and a maximum error of 5% was 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 Curve: Figure 23 represents the transconductance curve 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。 A highly concentrated NaCl solution ranging from 0.1 ng/dl to 1 mg/dl is dripped onto the sensor every 3 minutes. The test begins by dropping the lowest concentration (e.g., 0.1 ng/dl) of 2 ul, followed by the next higher concentration (e.g., 1 ng/dl), and so on at 3 minute intervals. dripped.
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 a function of the concentration of polar molecules. Regarding the initial concentration of the NaCl solution, DI occupies a larger proportion, due to which more holes are created and a voltage drop is seen. 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 exhibiting 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 illustrates the transconductance properties of a polar fluid-gated graphene sensor.
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 to implement the invention. It will be understood, of course, that not necessarily all objectives or advantages described may be achieved in accordance with any particular embodiment described herein. Thus, for example, one skilled in the art would appreciate that a method achieves one advantage or group of advantages as taught herein without necessarily realizing other objects or advantages as may be taught or presented herein. It will be appreciated that this can be done to achieve or optimize. Various advantageous and disadvantageous alternatives are described herein. Some preferred embodiments specifically include one, another, or some advantageous features, while others specifically exclude one, another, or some disadvantageous features, while It is to be appreciated that further others may specifically mitigate the disadvantageous features of the 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。 Additionally, those skilled in the art will appreciate the applicability of various features from different embodiments. Similarly, the various elements, features, and steps discussed above, as well as other known equivalents of such elements, features, and steps, may be used to perform methods according to the principles described herein. They can be mixed and adapted by those skilled in the art. Among the various elements, features, and steps, various embodiments specifically include some and specifically exclude others.
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 invention has been disclosed in the context of certain specific embodiments and examples, those skilled in the art will appreciate that embodiments of the invention extend beyond the specifically disclosed embodiments to other alternative embodiments and/or It will be understood that the use extends to modifications and equivalents thereof.
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 embodiments of the 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。 In some embodiments, numerical values representing amounts of components, properties such as molecular weights, reaction conditions, and the like used to describe and claim certain embodiments of the invention are referred to as " It should be understood that the term "about" is sometimes modified. 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. It is. In some embodiments, numeric parameters should be interpreted in light of the reported number of significant digits and by applying normal rounding techniques. Although numerical ranges and parameters set forth in broad terms for some embodiments of the invention are approximations, the numbers set forth in specific examples are reported to be as precise as practicable. The numerical values presented in some embodiments of the invention may necessarily contain certain errors resulting from the standard deviations found in their respective test 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," "an," and "the" used in the context of describing certain embodiments of the invention, particularly in certain contexts of the following claims. , and similar references may be interpreted 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 distinct value encompassed within the range. Unless otherwise indicated herein, each individual value is incorporated herein as if individually recited herein. All methods described herein can be performed in any suitable order, unless indicated otherwise 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 merely intended to better illustrate the invention. and is not intended to limit the scope of the otherwise claimed invention. 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. Each group member 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. In the event that any such inclusion or deletion occurs, this specification shall be construed as including the group as modified herein, and as such the written description of all Markush groups as used in the appended claims. satisfy the given explanation.
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 skilled in the art upon reading the foregoing description. It is contemplated that those skilled in the art will be able to employ such variations as appropriate, and that the invention may be practiced otherwise than as specifically described herein. Accordingly, many embodiments of this invention include all modifications and equivalents of the subject matter recited in the claims appended hereto as permitted by applicable law. Furthermore, any combination of the above-described elements in all their possible variations is encompassed by the invention, unless indicated otherwise herein or 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 to patents and printed publications throughout this specification. The references and printed publications cited above are individually incorporated herein by reference in their entirety.
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 used may be within the scope of the invention. Thus, by way of example and without limitation, alternative configurations of the invention may be utilized in accordance with the teachings herein. Therefore, the embodiments of the invention are not limited to the precise details 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。According to a preferred embodiment of the present invention, for example, the following is provided.
(項1)(Section 1)
ドレイン電極と、 a drain electrode;
ソース電極と、 a source electrode;
電気絶縁基板と、 an electrically insulating substrate;
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、 a layer of nanoscale material disposed on the substrate that partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel, the layer of nanoscale material and the channel extending between the drain and source electrodes; and a layer of nanoscale material electrically connected to the electrodes;
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 a polar fluid-induced gate terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer;
を含む、電界効果トランジスタであって、A field effect transistor comprising:
前記極性流体が、標的分析物を含み、the polar fluid includes a target analyte;
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。A field effect transistor, wherein the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes gate voltage versus channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.
(項2)(Section 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。 2. The field effect transistor according to item 1, wherein a constant current or a constant voltage is provided by a constant current source or a constant voltage source and is applied between the source electrode and the drain electrode.
(項3)(Section 3)
前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS The nanoscale material may be graphene, CNT, MoS
22
、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1または2に記載の電界効果トランジスタ。, boron nitride, metal dichalcogenide, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof, item 1 above. or the field effect transistor according to 2.
(項4)(Section 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。 4. A field effect transistor according to any one of clauses 1 to 3 above, wherein the polar fluid comprises a solution with polar molecules, a gas with polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
(項5)(Section 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。 Any one of clauses 1 to 4 above, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gaseous samples, or combinations thereof. field effect transistor.
(項6)(Section 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。 The target analyte may be an electrolyte, glucose, lactate, IL6, cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamin, protein, drug molecule, metabolite, peptide, amino acid, DNA, RNA, aptamer, enzyme, biomolecule, chemical 6. Field effect transistor according to any one of clauses 1 to 5 above, comprising a molecule, a synthetic molecule, or a combination thereof.
(項7)(Section 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。 7. A field effect transistor according to any one of clauses 1 to 6, further comprising a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising a receptor targeting a target analyte.
(項8)(Section 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。 The receptor may be pyreneboronic 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.
(項9)(Section 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 Items 1 to 8 above, further comprising a backside polymer layer beneath said nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or a combination thereof.
のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to any one of .
(項10)(Section 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。 10. The field effect transistor of clause 9, wherein the backside polymer layer comprises carbon polymer, biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale material, silica gel, silicone, ink, printed polymer, or any combination thereof. .
(項11)(Section 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、 A method for sensing a target analyte in a polar fluid, the method comprising:
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、 exposing the polar fluid sample to a field effect transistor, the field effect transistor comprising:
ドレイン電極と、 a drain electrode;
ソース電極と、 a source electrode;
電気絶縁基板と、 an electrically insulating substrate;
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、 a layer of nanoscale material disposed on the substrate at least partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the layer of nanoscale material and the channel extending between the drain and source electrodes; a nanoscale material layer and electrically connected to the electrodes;
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 a polar fluid-induced gate terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer, the polar fluid containing the target analyte and controlling the field effect transistor for detecting the analyte; a polar fluid-induced gate terminal with sufficient charge concentration to induce a polar fluid gate voltage that optimizes gate voltage vs. channel current characteristics;
を含むステップ、steps including;
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 measuring a first source-drain voltage at a first time point and a second source-drain voltage at a second and subsequent time point;
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 determining a concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first and second source-drain voltages;
を含む方法。method including.
(項12)(Section 12)
前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS The nanoscale material may be graphene, CNT, MoS
22
、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。, boron nitride, metal dichalcogenide, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof, item 11 above. The method described in.
(項13)(Section 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。 Any one of clauses 11 or 12 above, wherein the field effect transistor is functionalized with a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising a receptor targeting a target analyte. The method described in.
(項14)(Section 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。 The receptor may be pyreneboronic 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. , inorganic materials, synthetic molecules, and biomolecules.
(項15)(Section 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。 The target analyte may be an electrolyte, glucose, lactate, IL6, cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamin, protein, drug molecule, metabolite, peptide, amino acid, DNA, RNA, aptamer, enzyme, biomolecule, chemical 15. A method according to any one of paragraphs 11 to 14 above, comprising a molecule, a synthetic molecule, or a combination thereof.
(項16)(Section 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。 16. The method of any one of paragraphs 11-15 above, wherein the polar fluid comprises a solution with polar molecules, a gas with polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
(項17)(Section 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 calculating a fractional rate of change between the first and second source-drain voltages;
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。17. The method according to any one of paragraphs 11 to 16 above, further comprising:
(項18)(Section 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 applying a constant current between the source electrode and the drain electrode of the field effect transistor;
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。18. The method according to any one of paragraphs 11 to 17 above, further comprising:
(項19)(Section 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。 19. The method according to any one of the above items 11 to 18, further comprising applying a constant voltage between the source electrode and the drain electrode of the field effect transistor.
(項20)(Section 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。 20. According to any one of paragraphs 11 to 19 above, the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, blood plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof. the method of.
(項21)(Section 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。 Any of clauses 11 to 20 above, further comprising a backside polymer layer beneath said nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or a combination thereof. The method described in paragraph 1.
(項22)(Section 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。 22. The method of claim 21, wherein the backside polymer layer comprises carbon polymer, biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale material, silica gel, silicone, ink, printed polymer, or any combination thereof.
(項23)(Section 23)
電界効果トランジスタと field effect transistor and
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 A constant current or constant voltage source electrically connected to a field effect transistor
を含むシステムであって、A system including
前記電界効果トランジスタは、 The field effect transistor is
ドレイン電極と、 a drain electrode;
ソース電極と、 a source electrode;
電気絶縁基板と、 an electrically insulating substrate;
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、 a layer of nanoscale material disposed on the substrate that partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel, the layer of nanoscale material and the channel extending between the drain and source electrodes; and a layer of nanoscale material electrically connected to the electrodes;
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 a polar fluid-induced gate terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer;
を含み、including;
前記極性流体が、標的分析物を含み、the polar fluid includes a target analyte;
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。The system wherein the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes gate voltage versus channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.
(項24)(Section 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。 24. The system of clause 23, wherein the constant current source maintains a constant current through the field effect transistor.
(項25)(Section 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。 24. The system of clause 23, wherein the constant voltage source maintains a constant voltage on the field effect transistor.
(項26)(Section 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。 24. The system of clause 23 above, wherein the voltage or current output is communicated to the digital platform through wired or wireless transmission.
(項27)(Section 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 If the digital platform is a smartphone, tablet computer,
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。26 above, including a watch, 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. The system described.
Claims (21)
ドレイン電極と、 a drain electrode;
ソース電極と、 a source electrode;
基板と、 A substrate and
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に延在しかつこれらの間を電気接続しているチャネルとして前記基板上に配置されたナノスケール材料層と、 a layer of nanoscale material disposed on the substrate as a channel extending between and electrically connecting the source and drain electrodes;
極性流体が前記ナノスケール材料層に曝露された場合に形成される極性流体誘起ゲート端子であって、ここで、前記極性流体誘起ゲート端子が、前記チャネル内に誘起ゲート電圧を創出して、前記極性流体が前記チャネルに外部から導入された場合に、前記電界効果トランジスタがアクティブデバイスとして機能することを可能にする、極性流体誘起ゲート端子と a polar fluid-induced gate terminal formed when a polar fluid is exposed to the nanoscale material layer, wherein the polar fluid-induced gate terminal creates an induced gate voltage in the channel to a polar fluid-induced gate terminal that allows the field effect transistor to function as an active device when a polar fluid is externally introduced into the channel;
前記ナノスケール材料層に結合され、かつ前記基板および前記ナノスケール材料層の間に位置付けられたポリマー層であって、前記ポリマー層が、さらなる機械的機能性、電気的機能性、化学的機能性、生物学的機能性、またはこれらの組合せをもたらすように構成されている、ポリマー層と a polymer layer bonded to the nanoscale material layer and positioned between the substrate and the nanoscale material layer, the polymer layer having additional mechanical, electrical, chemical functionality; a polymeric layer configured to provide biological functionality, biological functionality, or a combination thereof;
を含む、電界効果トランジスタ。field effect transistors, including;
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