JP7129405B2 - Field-effect devices gated by polar fluids - 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 based on U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/356,729, entitled "DETECTION OF IONIC CONCENTRATION IN FLUID USING NANOSCALE MATERIALS VIA A CAPACITIVE RESPONSE," filed June 30, 2016; and U.S. Provisional Patent Application No. 6, 62/3 entitled "LACTATE-OXIDASE-FUNCTIONALIZED GRAPHENE POLYMER COMPOSITES FOR LABEL-FREE DETECTION OF LACTATE IN SWEAT AND OTHER BODILY FLUIDS" filed June 30, 2016, No. 642/3. Claiming priority, each of these provisional patent applications is hereby incorporated by reference in its entirety.

発明の分野
本明細書に開示される本発明は、一般に、極性流体によってゲート化されたナノスケール電界効果トランジスタ(NFET)、特にグラフェン電界効果トランジスタ(GFET)の、設計、作製、および適用に関する。本開示は、一般に、電界効果トランジスタを使用した化学的および生物学的感知にも関し、より詳細には、グラフェンを含む生化学的に感受性のあるチャネルを備えた電界効果トランジスタを使用した、生化学的感知にも関する。
FIELD OF THE INVENTION The invention disclosed herein relates generally to the design, fabrication, and application of polar fluid-gated nanoscale field effect transistors (NFETs), particularly graphene field effect transistors (GFETs). The present disclosure also relates generally to chemical and biological sensing using field effect transistors, and more particularly to biosensing using field effect transistors with biochemically sensitive channels comprising graphene. It also relates 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 a device. Generally, a FET has three terminals (eg, source, drain, and gate) and an active channel. Charge carriers (electrons or holes) flow from the source to the drain through an active channel, for example formed by a semiconductor material.

ソース(S)は、担体がチャネルに進入する場所である。ドレイン(D)は、担体がチャネルから離れる場所である。ドレイン-ソース間電圧はVDSであり、ソース-ドレイン間電流はIDSである。ゲート(G)は、ソースとドレインとの間の電流が制御されるようにゲート電圧(VG)を印加することによって、チャネル伝導度を変調させる。 The source (S) is where the carrier enters the channel. The drain (D) is where the carriers leave 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 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 of FETs and new methods of using 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 is a drain electrode, 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. wherein the scale material layer and said channel are created by a nanoscale material layer extending between and electrically connected to the drain and source electrodes and a polar fluid exposed to the nanoscale material layer; and a polar fluid induced gate terminal. In some embodiments, the polar fluid contains target analytes. 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, a constant current or constant voltage is provided by a constant current source or constant voltage source and 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、MoS、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 are graphene, CNTs, MoS2, boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorenes, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials. , 1D nanoscale materials, or any combination thereof.

一部の実施形態では、極性流体は、極性分子を有する溶液、極性分子を有する気体、標的感知分析物、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the polar fluid comprises a solution 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, blood plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof. A field effect transistor according to any one of the preceding claims.

一部の実施形態では、標的分析物は、電解質、グルコース、乳酸、IL6、サイトカイン、HER2、コルチゾール、ZAG、コレステロール、ビタミン、タンパク質、薬物分子、代謝物、ペプチド、アミノ酸、DNA、RNA、アプタマー、酵素、生体分子、化学分子、合成分子、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the target analyte is electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, Enzymes, biomolecules, chemical molecules, synthetic molecules, or combinations thereof.

一部の実施形態では、電界効果トランジスタは、ナノスケール材料層上に堆積されたレセプタ層であって、標的分析物を標的とするレセプタを含むレセプタ層をさらに含む。 In some embodiments, the field effect transistor further comprises a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising a receptor targeted to 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 pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single chain Including DNA (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, 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 below the nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or combinations 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 polymers, biopolymers, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale materials, silica gel, silicones, inks, printed polymers, 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 comprises exposing a polar fluid sample to a field effect transistor, the field effect transistor comprising a drain electrode; a source electrode; an electrically insulating substrate; a nanoscale material layer that at least partially defines a channel, wherein the nanoscale material layer and the channel extend between and are electrically connected to a drain electrode and a source electrode; the polar fluid-induced gate terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer, where the polar fluid contains the target analyte and the gate voltage versus channel current of the field effect transistor to detect the analyte; 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 the concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first and second source-drain voltages.

一部の実施形態では、ナノスケール材料は、グラフェン、CNT、MoS2、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド、ホスホレン、ナノ粒子、量子ドット、フラーレン、2Dナノスケール材料、3Dナノスケール材料、0Dナノスケール材料、1Dナノスケール材料、またはこれらの任意の組合せを含む。 In some embodiments, the nanoscale materials are graphene, CNTs, MoS2, boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.

一部の実施形態では、電界効果トランジスタは、ナノスケール材料層上に堆積されたレセプタ層で機能化され、レセプタ層は、標的分析物を標的とするレセプタを含む。 In some embodiments, the field effect transistor is functionalized with a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising receptors that target target analytes.

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 pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single chain Including DNA (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, biomolecules.

一部の実施形態では、標的分析物は、電解質、グルコース、乳酸、IL6、サイトカイン、HER2、コルチゾール、ZAG、コレステロール、ビタミン、タンパク質、薬物分子、代謝物、ペプチド、アミノ酸、DNA、RNA、アプタマー、酵素、生体分子、化学分子、合成分子、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the target analyte is electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, Enzymes, biomolecules, chemical molecules, synthetic molecules, or combinations thereof.

一部の実施形態では、極性流体は、極性分子を含む溶液、極性分子を含む気体、標的感知分析物、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the polar fluid comprises a solution containing polar molecules, a gas containing polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.

一部の実施形態では、方法は、第1および第2のソース-ドレイン電圧の間の分数変化率を計算するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method further comprises 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 comprises 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 comprises applying a constant voltage across the source and drain electrodes of the field effect transistor.

一部の実施形態では、極性流体は、汗、息、唾液、耳垢、尿、精液、血漿、生物流体、化学流体、空気試料、気体試料、またはこれらの組合せを含む。 In some embodiments, the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, blood 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 under the nanoscale material to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or combinations 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 carbon polymers, biopolymers, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale materials, silica gel, silicones, inks, printed polymers, 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 including:

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 source or constant voltage source electrically connected to the field effect transistor. A field effect transistor is a drain electrode; a source electrode; an electrically insulating substrate; and the channel extends between and is electrically connected to the drain and source electrodes; and a polar fluid-induced and a gate terminal. In some embodiments, the polar fluid contains target analytes. In some embodiments, the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes the gate voltage for the channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte. .

一部の実施形態では、定電流ソースは、電界効果トランジスタを通して定電流を維持する。 In some embodiments, a constant current source maintains a constant current through a field effect transistor.

一部の実施形態では、定電圧ソースは、電界効果トランジスタ上を経て定電圧を維持する。 In some embodiments, a constant voltage source maintains a constant voltage across the 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。
本発明の実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
(項目1)
ドレイン電極と、
ソース電極と、
電気絶縁基板と、
前記基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを部分的に画定するナノスケール材料層であり、前記ナノスケール材料層および前記チャネルが、前記ドレイン電極およびソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、
前記ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子と
を含む、電界効果トランジスタであって、
前記極性流体が、標的分析物を含み、
前記極性流体が、前記標的分析物に応答して前記電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、電界効果トランジスタ。
(項目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、項目1に記載の電界効果トランジスタ。
(項目3)
前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS 、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、項目1または2に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目1から3のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目1から4のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目1から5のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目1から6のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目7に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目1から8のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
(項目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、項目9に記載の電界効果トランジスタ。
(項目11)
極性流体中の標的分析物を感知するための方法であって、
極性流体試料を電界効果トランジスタに曝露するステップであり、前記電界効果トランジスタが、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
電気絶縁基板と、
前記基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを少なくとも部分的に画定するナノスケール材料層であり、前記ナノスケール材料層および前記チャネルが、前記ドレイン電極およびソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、
前記ナノスケール材料層に曝露された前記極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子であり、前記極性流体が、前記標的分析物を含みかつ前記分析物を検出するために前記電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、極性流体誘起ゲート端子と
を含むステップ、
第1の時点で第1のソース-ドレイン電圧を、第2およびその後の時点で第2のソース-ドレイン電圧を測定するステップ、ならびに
前記第1および第2のソース-ドレイン電圧に基づいて前記極性流体中の前記標的分析物の濃度を決定するステップ
を含む方法。
(項目12)
前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS 、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、項目11に記載の方法。
(項目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、項目11または12のいずれか一項に記載の方法。
(項目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、項目13に記載の方法。
(項目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、項目11から14のいずれか一項に記載の方法。
(項目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、項目11から15のいずれか一項に記載の方法。
(項目17)
前記第1および第2のソース-ドレイン電圧間の分数変化率を計算するステップをさらに含む、項目11から16のいずれか一項に記載の方法。
(項目18)
前記電界効果トランジスタの前記ソース電極およびドレイン電極間に定電流を印加するステップ
をさらに含む、項目11から17のいずれか一項に記載の方法。
(項目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、項目11から18のいずれか一項に記載の方法。
(項目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、項目11から19のいずれか一項に記載の方法。
(項目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、項目11から20のいずれか一項に記載の方法。
(項目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、項目21に記載の方法。
(項目23)
電界効果トランジスタと
電界効果トランジスタと電気接続された定電流ソースまたは定電圧ソースと
を含むシステムであって、
前記電界効果トランジスタは、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
電気絶縁基板と、
前記基板上に配置された、電気伝導性および化学感受性チャネルを部分的に画定するナノスケール材料層であり、前記ナノスケール材料層および前記チャネルが、前記ドレイン電極およびソース電極の間に延在しかつこれらの電極に電気接続されているナノスケール材料層と、
前記ナノスケール材料層に曝露された極性流体によって創出された、極性流体誘起ゲート端子と
を含み、
前記極性流体が、標的分析物を含み、
前記極性流体が、前記標的分析物に応答して前記電界効果トランジスタのゲート電圧対チャネル電流特性を最適化する極性流体ゲート電圧を誘起させるのに十分な電荷濃度を有する、システム。
(項目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、項目23に記載のシステム。
(項目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、項目23に記載のシステム。
(項目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、項目23に記載のシステム。
(項目27)
前記デジタルプラットフォームが、スマートフォン、タブレットコンピュータ、スマートウォッチ、車内エンターテイメントシステム、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、コンピュータ端末、テレビジョンシステム、電子ブックリーダ、ウェアラブルデバイス、またはデジタル入力を処理する任意のその他のタイプのコンピューティングデバイスを含む、項目26に記載のシステム。
In some embodiments, the digital platform handles smartphones, tablet computers, smartwatches, in-car entertainment systems, laptop computers, desktop computers, computer terminals, television systems, e-book readers, wearable devices, or digital inputs. Including any other type of computing device.
In embodiments of the present invention, for example, the following items are provided.
(Item 1)
a drain electrode;
a source electrode;
an electrically insulating substrate;
a layer of nanoscale material disposed on the substrate and partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between the drain and source electrodes; and a layer of nanoscale material electrically connected to the electrodes;
a polar fluid-induced gate terminal created by a polar fluid exposed to said nanoscale material layer;
A field effect transistor comprising
the polar fluid comprises a target analyte;
A field effect transistor, wherein said polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes gate voltage versus channel current characteristics of said field effect transistor in response to said target analyte.
(Item 2)
A field effect transistor according to item 1, wherein a constant current or constant voltage is provided by a constant current source or constant voltage source and applied between the source and drain electrodes.
(Item 3)
said nanoscale materials are graphene, CNT, MoS2 , boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials , or any combination thereof.
(Item 4)
4. The field effect transistor of any one of items 1-3, wherein the polar fluid comprises a solution with polar molecules, a gas with polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
(Item 5)
5. Any one of items 1 to 4, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, cerumen, urine, semen, blood plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof. Field effect transistor.
(Item 6)
The target analyte is electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, enzymes, biomolecules, chemical Field effect transistor according to any one of items 1 to 5, comprising a molecule, a synthetic molecule, or a combination thereof.
(Item 7)
7. A field effect transistor according to any one of items 1 to 6, further comprising a receptor layer deposited on said nanoscale material layer, said receptor layer comprising receptors targeting a target analyte.
(Item 8)
The receptor is pyreneboronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA (ssDNA), aptamers , inorganic materials, synthetic molecules, biomolecules.
(Item 9)
9. Any one of items 1-8, further comprising a backside polymer layer under said nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or combinations thereof. A field effect transistor according to any one of the preceding paragraphs.
(Item 10)
10. The field effect transistor of item 9, wherein the backside polymer layer comprises carbon polymers, biopolymers, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale materials, silica gel, silicones, inks, printed polymers, or any combination thereof.
(Item 11)
A method for sensing a target analyte in a polar fluid comprising:
exposing the polar fluid sample to a field effect transistor, said field effect transistor comprising:
a drain electrode;
a source electrode;
an electrically insulating substrate;
A nanoscale material layer disposed on the substrate and at least partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between the drain and source electrodes. a layer of nanoscale material and electrically connected to the electrodes;
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 of the field effect transistor to detect the analyte; a polar fluid-induced gate terminal with sufficient charge concentration to induce a polar fluid gate voltage that optimizes gate voltage versus channel current characteristics;
a step comprising
measuring a first source-drain voltage at a first time point and a second source-drain voltage at a second and subsequent time points; and
determining the concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first and second source-drain voltages;
method including.
(Item 12)
said nanoscale materials are graphene, CNT, MoS2 , boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials , or any combination thereof.
(Item 13)
13. According to any one of items 11 or 12, wherein the field effect transistor is functionalized with a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising a receptor that targets a target analyte. described method.
(Item 14)
The receptor is pyreneboronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA (ssDNA), aptamers , inorganic materials, synthetic molecules, biomolecules.
(Item 15)
The target analyte is electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, enzymes, biomolecules, chemical 15. A method according to any one of items 11-14, comprising a molecule, a synthetic molecule, or a combination thereof.
(Item 16)
16. The method of any one of items 11-15, wherein the polar fluid comprises a solution with polar molecules, a gas with polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
(Item 17)
17. The method of any one of items 11-16, further comprising calculating a fractional rate of change between the first and second source-drain voltages.
(Item 18)
applying a constant current between the source and drain electrodes of the field effect transistor;
18. The method of any one of items 11-17, further comprising:
(Item 19)
19. The method of any one of items 11 to 18, further comprising applying a constant voltage between the source and drain electrodes of the field effect transistor.
(Item 20)
20. Any one of paragraphs 11 to 19, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, cerumen, urine, semen, blood plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof. Method.
(Item 21)
21. Any one of items 11-20, further comprising a backside polymer layer under said nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functionality, or combinations thereof. The method described in section.
(Item 22)
22. The method of item 21, wherein the backside polymer layer comprises carbon polymers, biopolymers, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale materials, silica gel, silicones, inks, printed polymers, or any combination thereof.
(Item 23)
field effect transistor and
With a constant current source or constant voltage source electrically connected to a field effect transistor
A system comprising
The field effect transistor is
a drain electrode;
a source electrode;
an electrically insulating substrate;
a layer of nanoscale material disposed on the substrate and partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between the drain and source electrodes; and a layer of nanoscale material electrically connected to the electrodes;
a polar fluid-induced gate terminal created by a polar fluid exposed to said nanoscale material layer;
including
the polar fluid comprises a target analyte;
The system, wherein the polar fluid has a charge concentration sufficient to induce a polar fluid gate voltage that optimizes gate voltage versus channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.
(Item 24)
24. The system of item 23, wherein the constant current source maintains a constant current through the field effect transistor.
(Item 25)
24. The system of item 23, wherein the constant voltage source maintains a constant voltage on the field effect transistor.
(Item 26)
24. The system of item 23, wherein the voltage or current output is communicated to the digital platform through wired or wireless transmission.
(Item 27)
The digital platform is a smart phone, tablet computer, smartwatch, in-car entertainment system, laptop computer, desktop computer, computer terminal, television system, e-book reader, wearable device, or any other type that processes digital input. 27. The system of item 26, comprising a 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。 Any of the embodiments disclosed herein, alone or in combination with other embodiments, can be used in conjunction with any aspect of the present invention, as known to those skilled in the art.

当業者なら、以下に示す図面は単なる例示を目的とすることが理解されよう。図面は、本発明の教示の範囲を限定することを意図するものではない。 Those skilled in the art will appreciate that the drawings, shown below, are for illustration purposes only. The drawings are not intended to limit the scope of the teachings of the invention.

図1Aは、グラフェン電界効果トランジスタ(gFET)を例示する、先行技術の実施形態を図示する。FIG. 1A illustrates a prior art embodiment illustrating a graphene field effect transistor (gFET).

図1Bは、ゲート電圧によって制御されるときのソースおよびドレイン間の電流を示す、先行技術の実施形態を図示する。FIG. 1B illustrates a prior art embodiment showing the current between the source and drain as controlled by the gate voltage.

図2Aは、ゲートレスグラフェン電界効果(g-gFET)を示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 2A illustrates an exemplary embodiment showing a gateless graphene field effect (g-gFET).

図2Bは、g-gFETを示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 2B illustrates an exemplary embodiment showing a g-gFET.

図2Cは、g-gFETを示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 2C illustrates an exemplary embodiment showing a g-gFET.

図2Dは、g-gFETを示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 2D illustrates an exemplary embodiment showing a g-gFET.

図3Aは、極性流体が運動していない極性流体ゲート端子(PFGT)を示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 3A illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal (PFGT) with no polar fluid in motion.

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。FIG. 3B illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal through which polar fluid flows in a first direction.

図3Cは、極性流体が第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。FIG. 3C illustrates an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal through which polar fluid flows in a second direction.

図4Aは、誘電体およびゲート金属を備えた図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。ゲート電位は、ゲート金属および接地の間で測定される。FIG. 4A illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in FIGS. 2A-2D with dielectric and gate metal. Gate potential is measured between the gate metal and ground.

図4Bは、PFGT内に、追加の金属電極を備えた図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。ゲート電位は、金属電極および接地の間で測定される。FIG. 4B illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in FIGS. 2A-2D with additional metal electrodes within the PFGT. Gate potential is measured between the metal electrode and ground.

図4Cは、PFGT内に、誘電体およびゲート金属と金属電極が増補された図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。FIG. 4C illustrates an exemplary embodiment showing the base device illustrated in FIGS. 2A-2D augmented with dielectric and gate metal and metal electrodes within the PFGT. Two gate potentials are measured as indicated.

図5Aは、定電流ソースと併せて使用されるGFETを示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 5A illustrates an exemplary embodiment showing a GFET used in conjunction with a constant current source.

図5Bは、定電圧ソースと併せて使用されるGFETを示す、例示的な実施形態を図示する。FIG. 5B illustrates an exemplary embodiment showing a GFET used in conjunction with a constant voltage source.

図6は、DI水中でのNaCl応答の選択性測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment showing selectivity measurements of NaCl responses in DI water.

図7は、DI水中でのNaCl応答に関する感度測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment showing sensitivity measurements for NaCl response in DI water.

図8は、汗の中での塩化物応答を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 8 illustrates an exemplary embodiment showing chloride response in sweat.

図9は、DI水中でのグルコース応答の選択性測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment showing selectivity measurements of glucose response in DI water.

図10は、DI水中でのグルコース応答に対するNaCl中でのグルコース応答を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 10 illustrates an exemplary embodiment showing glucose response in NaCl versus glucose response in DI water.

図11は、NaCl水中でのグルコース応答の選択性測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 11 illustrates an exemplary embodiment showing selectivity measurements of glucose response in NaCl water.

図12は、DI水中のD-グルコースの感度測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 12 illustrates an exemplary embodiment showing sensitivity measurements for D-glucose in DI water.

図13は、GFET製作によって視覚化された機能化ステップを示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 13 illustrates an exemplary embodiment showing the functionalization steps visualized by GFET fabrication.

図14は、汗の中のD-グルコース応答を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 14 illustrates an exemplary embodiment showing the D-glucose response in sweat.

図15は、血液中のD-グルコース応答を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 15 illustrates an exemplary embodiment showing D-glucose responses in blood.

図16は、血糖と汗中グルコースとの間の測定値の相関を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 16 illustrates an exemplary embodiment showing the correlation of measurements between blood sugar and sweat glucose.

図17は、DI水中の乳酸応答の選択性測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 17 illustrates an exemplary embodiment showing selectivity measurements of lactate response in DI water.

図18は、様々な溶液中の乳酸応答の選択性測定値を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 18 illustrates an exemplary embodiment showing selectivity measurements of lactate responses in various solutions.

図19は、DI水中の乳酸応答に対するNaCl中の乳酸応答を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 19 illustrates an exemplary embodiment showing lactate response in NaCl versus lactate response in DI water.

図20は、GFET製作によって視覚化された乳酸機能化ステップを示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 20 illustrates an exemplary embodiment showing the lactate functionalization step visualized by GFET fabrication.

図21は、汗中のナトリウム濃度に対するセンサの相関に関するモデルを示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 21 illustrates an exemplary embodiment showing a model for sensor correlation to sodium concentration in sweat.

図22は、汗中のグルコース濃度に対するセンサの相関に関するモデルを示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 22 illustrates an exemplary embodiment showing a model for sensor correlation to glucose concentration in sweat.

図23は、PFTに関するトランスコンダクタンス曲線を示す、例示的な実施形態を例示する。FIG. 23 illustrates an exemplary embodiment showing transconductance curves for the PFT.

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.
General graphene field effect transistor

グラフェンは顕著な機械抵抗を保有し、このことにより、単層または二重層程度の厚さを、その主たる電気的性質を失うことなくかなりの機械応力に供することが可能になる。そのような機械強度は、グラフェンを、インジウムスズ酸化物(ITO)によりもたらされた透明伝導性酸化物(TCO)の電流発生の代わりになる理想的な候補にする。グラフェンとは異なって、ITOは、脆くかつ機械応力を受け易く;しかしその低いシート抵抗および高い透明度は、その高い材料コストを相殺するのに十分である。一方、大面積および低シート抵抗のグラフェンシートの生成は、化学気相成長(CVD)を使用する比較的単純で拡張性あるプロセスであり、適正な処理後に、90%よりも高い透明度および100よりも低いシート抵抗を持つ少数の原子層をもたらす。 Graphene possesses remarkable mechanical resistance, which allows thicknesses on the order of monolayers or bilayers to be subjected to considerable 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 provided 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), which, after proper processing, yields greater than 90% transparency and greater than 100% transparency. yields fewer atomic layers with even 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 typically fabricated on a Si wafer covered with a SiO2 layer, with the graphene forming the transistor channel. A graphene transistor consists of three terminals, source and drain metal electrodes contacting the graphene channel, and a global back gate enabled by a doped Si substrate. These features facilitate the characteristic ambipolar transport behavior of graphene in Grat-FETs - realizing both n-type and p-type transport when biased with appropriate gate voltages 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 changing the direction and magnitude of the gate voltage, the resulting current curve between source and drain takes on a "V" shape. A small change in gate voltage at the tip of the V-curve produces a significant and detectable change in the channel current (I DS ), which tends to plateau at the two endpoints 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, disclosed herein is a new type of field effect transistor (FET) that does not have a physical gate.

図2Aから2Dまでは、物理的ゲートを持たないFETの様々な実施形態を図示する。図2Aは、基板1、ソース電極2、ドレイン電極3、レセプタ4、グラフェン層5、および裏面ポリマー6を含む、例示的なグラフェンベースFET210を図示する。本明細書に開示されるように、基板1は、ポリアミド、PET、PDMS、PMMA、その他のプラスチック、二酸化ケイ素、ケイ素、ガラス、酸化アルミニウム、サファイア、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、ケイ素とゲルマニウムとの合金、布地、織物、絹、紙、セルロースをベースにした材料、絶縁体、金属、半導体であり得、剛性の、可撓性の、またはこれらの任意の組合せとすることができる。一部の実施形態では、基板1を炭化ケイ素基板とすることができ、グラフェン層5は、炭化ケイ素基板からのケイ素の昇華によって直接、炭化ケイ素基板上にエピタキシャル成長させることができる(図2B)。 Figures 2A through 2D illustrate various embodiments of FETs without physical gates. FIG. 2A illustrates an exemplary graphene-based FET 210 including substrate 1, source electrode 2, drain electrode 3, receptor 4, graphene layer 5, and backside polymer 6. FIG. As disclosed herein, the substrate 1 may include polyamide, PET, PDMS, PMMA, other plastics, silicon dioxide, silicon, glass, aluminum oxide, sapphire, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, silicon and It can be an alloy with germanium, fabric, fabric, silk, paper, cellulose-based materials, insulators, metals, semiconductors, 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 inter-electrode 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 Including but not limited to gels, conductive inks, 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 the 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, non-metallic conductive materials.

一部の実施形態では、グラフェン層5は、均一な厚さ、好ましくは所定の厚さの、グラフェンの1つまたは複数の単層を有することができる。厚さは、電気的性質、例えばバンドギャップ、担体濃度などをもたらすので、均一で好ましくは所定の厚さは、感知性質の制御を提供し、個々のセンサ間のばらつきが少ない再現性あるデバイスの形成を可能にする。 In some embodiments, the graphene layer 5 can have one or more monolayers of graphene of uniform thickness, preferably a predetermined thickness. Since thickness affects electrical properties such as bandgap, carrier concentration, etc., a uniform and preferably predetermined thickness provides control over sensing properties and results in reproducible devices with low variability between individual sensors. allow 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 can be an epitaxial layer and the substrate of the graphene layer can be the substrate on which the graphene layer is epitaxially grown. By leaving the graphene layer on the growth substrate, typically nano-thin graphene layers and structures do not necessarily have to be dealt with. The risk of damaging the thin graphene layer during transistor fabrication is also reduced if the graphene layer can be left on the substrate.

一部の実施形態では、グラフェン層5は、選択されたタイプの分析物のみがグラフェン層によって検出されるように、選択性に関してレセプタ4で表面処理することができる。例示的なレセプタ4には、ピレンボロン酸(PBA)、N-ヒドロキシスクシンイミドエステル(ピレン-NHS)、有機化学物質、芳香族分子、環状分子、酵素、タンパク質、抗体、ウイルス、一本鎖DNA(ssDNA)、アプタマー、無機材料、合成分子、生体分子が含まれるが、これらに限定するものではない。 In some embodiments, the graphene layer 5 can be surface treated with receptors 4 for selectivity such that only selected types of analytes are detected by the graphene layer. Exemplary receptors 4 include 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, the graphene layer 5 and/or thus certain types of chemicals are prevented from reaching the chemically sensitive channels. Surface treatments may include deposition of metal particles and/or polymers.

裏面ポリマー6は、機械的支持をグラフェンに対して行うために使用される。また、ドープされたときに、感知応答に対して新しいモダリティを付加することができる。例えば、裏面ポリマーには、特定の標的に結合することもでき、かつトランジスタチャネルの抵抗変化に関与することができる、生体分子をドープすることができる。 A backside polymer 6 is used to provide mechanical support to the graphene. Also, new modalities can be added to the sensing response when doped. For example, the backside polymer can be doped with biomolecules that can also bind to specific targets and participate in resistance changes in transistor channels.

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, one atom of which forms each vertex. It is the basic structural element of graphite, charcoal, carbon nanotubes, and other allotropes, including fullerenes. It can be thought of as the final case in the family of planar polycyclic aromatic hydrocarbons as infinitely large aromatic molecules. In some embodiments, graphene is a monolayer of carbon atoms. Each carbon atom in graphene has four electrons. Through three of these electrons, the carbon atom bonds to the three closest carbon atoms forming a hexagonal lattice. For each atom, four electrons are delocalized on the entire graphene layer, allowing electron current conduction.

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 lead to charge reorganization in the polar fluid to form a liquid-induced gate voltage, resulting in a voltage drop 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 in motion. As shown, the charge of the polar or ionic component is redistributed in the polar fluid, resulting in the creation of a polar fluid gate terminal (PFGT) and an induced fluid gate voltage (V FG ). This voltage can cause a shift in the x-axis (voltage) in the V-shaped current versus fluid gate voltage curve. As will be noted, at the tip of the V-curve, a small change in gate voltage can produce a significant and detectable change in the channel current (I DS ), flattening out at the two endpoints of the V-curve. there is a tendency to A shift towards the tip of the V-shaped curve can result in increased sensitivity, allowing detection of very small changes in voltage 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 noted above, a shift towards the tip of the V-shaped curve can result in better sensitivity. Such shifts can be induced by polar liquid-induced gate voltages. 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. A shift in the V-curve can be correlated to a wide range of charged particle concentrations. In some embodiments, the shift correlates with charged particle concentrations as low as 1 femto g/L (eg, NaCl). In some embodiments, the shift correlates with 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 through which polar fluid flows in a first direction. The magnitude of the gate potential (V FG ) is directly proportional to the flow rate of the polar fluid. The sign or direction of VFG depends on the direction in which the polar fluid flows; eg, along, across the source-drain terminals. For example, if the gate voltage is positive along the source-drain direction, it will be negative in the reverse direction and vice versa. When a polar fluid flows across the source-drain voltage, if the gate voltage is positive along the Y direction, it becomes negative in the Y direction and vice versa. When the direction of polar fluid flow changes, the direction of the gate voltage can 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 in which the polar fluid flows in a second direction opposite the first direction.
Gate voltage sensing 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。 Figures 4A through 4C illustrate configurations in which the gate voltage at the polar fluid gate terminal (PFGT) is determined.

図4Aは、誘電体層7およびゲート金属8を備えたベースデバイスを示す、例示的な実施形態を図示する。ここでベースデバイスは、210、220、230、および240など、図2A~2Dに図示されるいずれかとすることができる。ゲート電位は、ゲート金属と接地との間で測定される。誘電体層7は、ベースデバイスの基板の下に付加される(例えば、図2Aから2Dまでに図示されるような基板1)。ゲート金属8は、誘電体層7の下に付加される。ゲート金属8は、誘起ゲート電圧を測定するためにのみ付加され、電圧は、ゲート金属8を通して印加されない。一部の実施形態では、Vg1は、PFGTデバイス特性およびチャネルのタイプに依存して非線形的に変化させることができる。例えば、チャネルがグラフェンである場合(両極性)、Vg1は、グラフェンデバイスに典型的なトランスコンダクタンス応答に従うことができる。 FIG. 4A illustrates an exemplary embodiment showing a base device with dielectric layer 7 and gate metal 8 . The base device here can be any of those illustrated in FIGS. 2A-2D, such as 210, 220, 230 and 240. FIG. Gate potential is measured between the gate metal and ground. A dielectric layer 7 is applied under the substrate of the base device (eg, substrate 1 as illustrated in Figures 2A to 2D). A gate metal 8 is applied under the dielectric layer 7 . A gate metal 8 is added only to measure the induced gate voltage, no voltage is applied through the gate metal 8 . In some embodiments, Vg1 can be varied non-linearly depending on the PFGT device characteristics and channel type. 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. 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 the PFGT device characteristics and channel type. For example, if the channel is graphene (bipolar), 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 the source-drain current/voltage and the induced PFG. Simultaneous measurement of Vg1 and Vg2 is a tri-gated structure that 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 supplied to the PFGT to modulate the overall electrical properties of the PFGT device for 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, computational circuits, radio frequency (RF) devices, sensors, and the like.

図5Aは、極性流体グラフェン電界効果トランジスタ(PFGFET)を介してセンサの読出しに使用される回路を示す、例示的な実施形態を図示する。図5Aでは、定電流(I)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 circuitry 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 analyte concentration to be 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 to read out the sensor via the PFGFET. Here, a constant voltage (Vs) is supplied to the PFGFET. Current or charger (Ian) is read from the PFGFET using a current resistor (R). The current output is then calibrated to the analyte concentration to be 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。 Having described the invention in detail, it will be apparent that modifications, variations, and equivalents are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. let's 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. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the techniques disclosed in the examples that follow represent techniques found to function well in the practice of the invention, and thus should be considered to constitute examples of modes for its implementation. It should be understood that However, one skilled in the art, in light of the present disclosure, can make many changes in the particular embodiments disclosed and still achieve similar or similar results without departing from the spirit and scope of the invention. It 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 placed on the graphene, typically with a thickness of less than 0.5 mm, 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 both edges of the graphene polymer composite.

次いでグラフェンポリマー複合体を、テフロン(登録商標)、ポリイミド、および同様のものなどのポリマー基板上に置き、次いで1~10分間、摂氏80~150度で加熱して、あらゆる不純物を除去した。 The graphene polymer composite was then placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide, and the like and then heated at 80-150 degrees Celsius for 1-10 minutes to remove any impurities.

次いでGFETセンサを、使用できる状態にした。一部の場合では、特定の分析物用のレセプタをグラフェン層上に堆積した。 The GFET sensor was then ready for use. In some cases, receptors for specific analytes were deposited on the graphene layer.

汗を通じた分析物感知のためのセンサシステムは、下記から構成された:
○ (カプトン)で作製されたフレキシブルポリマープラットフォーム;
○ フレキシブルポリマープラットフォームに結合されたグラフェンポリマー複合体;
○ 同様にフレキシブルポリマープラットフォームに結合された、グラフェンポリマー複合体の層の対向する縁部に、センサ構成内に位置付けられたソース電極およびドレイン電極;
○ 伝導性金属から構成されたソース電極およびドレイン電極のそれぞれ;
○ グラフェンポリマー複合体層は、2つの電極間で、所望の分析物バイオセンシングのためにリンカー分子で機能化し;かつ
○ センサシステムは、分析されるべき汚れていない汗の源に、緊密に近接させて保持した。
A sensor system for analyte sensing through sweat consisted of:
o Flexible polymer platform made with (Kapton);
o Graphene polymer composites attached to a flexible polymer platform;
o Source and drain electrodes positioned within the sensor configuration on opposite edges of a layer of graphene polymer composite, also bonded to the flexible polymer platform;
o each of the source and drain electrodes constructed from a conductive metal;
o The graphene polymer composite layer is functionalized with linker molecules for the desired analyte biosensing between the two electrodes; and o The sensor system is in close proximity to the source of pristine sweat to be analyzed. let and held.

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。
A method for determining analyte concentrations through sweat included the following steps:
o Applying a constant bias voltage to a functionalized graphene polymer composite sensor with conducting channels;
o measuring a first source-drain voltage via a sensor;
o Exposure of the conducting channels to pristine sweat by bringing them into close proximity to the sweat source;
o binding the analyte to the linker molecule by releasing electrons through the linker into the channel, resulting in a change in electrical potential across the channel;
o measuring a second source-drain voltage via the sensor;
o Determining the concentration of the analyte based on the fractional rate of change between the first source-drain voltage and the second source-drain voltage.

分析中、固定された電流または電圧をセンサに通した。GFETセンサの電気応答を、陰性対照として脱イオン(DI)水中の分析物を使用して、極性溶液中の分析物に関して記録した。機能化GFETに対するDI水応答も測定した。分析物は、NaCl、D-グルコース、および乳酸を含んだ。
(実施例2)
NaCl試料の分析
A fixed current or voltage was passed through the sensor during the analysis. The electrical response of the GFET sensor was recorded for analytes in polar solutions using analytes in deionized (DI) water as negative controls. DI water responses to functionalized GFETs were also measured. Analytes included NaCl, D-glucose, and lactate.
(Example 2)
Analysis of NaCl samples

これらの実施例では、固定された電流または電圧をGFETに通した。GFETセンサの電気応答を、下記に関して記録した:DI水中のNaCl濃度または非機能化GFET上でのDI水応答について。 In these examples, a fixed current or voltage was passed through the GFET. The electrical response of the GFET sensor was recorded with respect to: NaCl concentration in DI water or DI water response on the 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: Responses of various NaCl concentrations in DI water were measured on the GFET to study the sensitivity of the sensor to NaCl. Solutions were prepared containing various concentrations of NaCl ranging from 0 to 1 g/L in DI water. The test started by introducing the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, then the next higher concentration was introduced after 3 minutes, and so on; e.g., 0.05 g/L in the example shown in FIG. to 0.1. This was 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。 FIG. 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 concentrations changed the voltage across the channel, thereby demonstrating high selectivity to 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: Responses of various NaCl concentrations in DI water were 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 on the GFET, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. Here the concentration increased logarithmically, eg, from 0.1 ng/dL to lng/dL, then lOng/dL, then to 0.1 ug/dL, and so on. This was continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

図7は、GFETが、DI水だけには有意な応答を与えず、指数関数的応答は、DI水中の最低濃度のNaClから開始して最高濃度のNaClに至ることを示す。増加する濃度は、チャネルを横切って電圧を変化させ、それによって、対照としてDI水中のNaClに向けて約250フェムトグラム/リットルの高い感度を示した。 FIG. 7 shows that the GFET gives no significant response to DI water alone, with an exponential response starting from the lowest concentration of NaCl to the highest concentration of NaCl in DI water. Increasing concentrations varied the voltage across the channel, thereby exhibiting a high sensitivity of approximately 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: Human sweat chloride concentration measurements were performed in human subjects. This test required subjects to engage in physical activity such as running and occasionally use water for hydration.

GFETを、ヒト対象が前腕および腰(エクリン汗腺)に装着した。汗の中の塩化物濃度に起因する電気応答を、対象が激しい身体活動(ランニングなど)を行っている間、連続的(500ミリ秒ごと)に伝達し記録した。汗の中の塩化物濃度の変化は、図8に例示されるように、電圧の分数変化率によって表された状態で観察した。 GFETs were worn by human subjects on the forearms and hips (eccrine sweat glands). The electrical response due to chloride concentration in sweat was transmitted and recorded continuously (every 500 ms) while the subject underwent strenuous physical activity (such as running). Changes in chloride concentration in sweat were observed expressed 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 the real-time concentration of sweat osmotic pressure in two human subjects using a PFGFET attached to the skin. The osmotic 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) than a jogger (subject 2 and run 2). It was observed that the more intense the subject's physical activity, the higher the measured body osmolarity. A peak in body osmolality was observed during periods of most vigorous physical activity. Body osmotic pressure was also observed to decrease during periods of strenuous physical activity. This was caused when the subject consumed too much water without adequate salinity. The data indicate hyponatremia if the slope of the curve goes to zero. During this period, the body tries to retain as much salt as possible (to maintain ionic balance), so 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 highly selective responses (>97%) to NaCl concentrations in various control fluids.

高感度:PBAで機能化されたGFETは、NaClに高感度を示し、その検出限界(LOD)は250フェムトグラム/リットルであった。GFETセンサは、高い信号対雑音比を有し、高感度であり、また結合のための表面積が広いことに起因して、表面と分子との間の結合はより強力である。これらの因子の全ては、GFETを高感度にするのに非常に大きな差別化する役割を演ずる。 High sensitivity: GFET functionalized with PBA showed high sensitivity to NaCl with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/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 surface and molecule is stronger. All of these factors play a very large differentiating role in making GFETs highly sensitive.

極性分子に起因したゲート変調:極性流体(水、塩など)では、極性分子(イオンなど)がNFET上に極性流体ゲート端子(PFGT)を形成することが観察された。グラフェン表面付近の極性分子は、誘電効果を誘起させ、電荷移動のためのチャネルを創出した。PFGTのゲート強度は、流体中の極性分子の電荷と濃度の両方に依存した。そのような第3の極性流体ゲート端子(PFGT)は、極性流体中のNaCl濃度からの電気応答を変調させた。 Gate modulation due to polar molecules: In polar fluids (water, salt, etc.), polar molecules (such as ions) were observed to form polar fluid gate terminals (PFGTs) on NFETs. Polar molecules near the graphene surface induced dielectric effects and created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and the concentration of polar molecules in the fluid. Such a third polar fluid gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from 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: Concentrations of ions were measured continuously in the fluid by modulating the NFET channel current from the evoked polar fluid gate terminal. Once the ionic solution was removed from the surface of the NFET, the electrical response of the polar fluid gate NFET returned to its original bare or pristine 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 fluids on the surface of NFETs: Polar fluids (such as NaCl in DI water) are quickly repelled or expelled from the NFETs due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluids. It is considered to be. The higher the concentration of polar molecules (eg, NaCl) in the fluid, the higher the strength of the PFGT and thus the greater the repulsive action. This repulsion, combined with the modulation of the PFGT-induced electrical response by the NaCl molecules on the NFET, enabled a more sensitive selective and continuous monitoring electrolyte system.

ヒトの汗における実時間連続塩化物モニタリング:例として、GFETを、ヒト対象が前腕および腰(エクリン汗腺)に装着した。汗は、希釈され限外濾過された血液である。汗の中の塩化物濃度に起因する電気応答を、対象が、a)激しい身体活動(トレーニング)、b)激しくない身体活動(事務机への着席および食事など)を行っている間、連続的(500ミリ秒ごと)に伝達し記録した。汗の中のバックグラウンドイオン濃度(主に、NaCl)は、二端子GFETデバイス上にPFGTを形成することが観察された。Clイオンに起因するGFET上の誘導PFGTのゲート強度の変化は、ヒトの汗の中のClイオン分子の、連続的な非侵襲的モニタリングを可能にした。汗は、高度に希釈され限外濾過されるので、連続的に塩化物濃度を測定するのに非常に良好な極性流体であることが観察された。
(実施例3)
D-グルコース試料の分析
Real-time continuous chloride monitoring in human sweat: As an example, GFETs were worn by human subjects on the forearms and hips (eccrine sweat glands). Sweat is diluted and ultrafiltered blood. The electrical response due to the chloride concentration in sweat was measured continuously while the subject was engaged in a) strenuous physical activity (training), b) non-vigorous physical activity (such as sitting at an office desk and eating). (every 500 ms) and recorded. Background ion concentrations in sweat (mainly 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 measuring chloride concentration on a continuous basis 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:
○ D-glucose concentration in DI water ○ D-glucose concentration in artificial sweat (DI + NaCl + lactic acid) ○ D-glucose concentration in DI water on the non-functionalized GFET ○ Lactose concentration in DI water on the functionalized device (control 1)
○ Artificial sweat concentration on functionalized device (control 2)
o DI water response with functionalized GFET o Human sweat glucose measurements: Real-time continuous monitoring of glucose concentration was performed in human sweat using a wearable GFET/PBA sensor. Real-time continuous sweat glucose responses correlated with blood glucose measurements using a commercial glucose meter.

機能化:例として、グラフェンFETを、流体中のグルコース分子に特異的に結合するリンカー分子(ロック)で機能化した。例として、GFETを、ピレンボロン酸(PBA)で機能化した。ピレンボロン酸は、π-π結合を使用してグラフェン表面に結合する。PBAは、D-グルコースと共に可逆的ホウ素陰イオン錯体を形成する。製作ステップは、下記の通りである:
○ ポリマーを、通常は0.5mm未満の厚さでグラフェン上に配置し、次いでそれを上に成長させた触媒基板から分離した。
○ 次いでグラフェンポリマー複合体を、テフロン(登録商標)、ポリイミドなどのポリマー基板上に置き、1~10分間、摂氏80~150度で加熱して、いかなる不純物も除去した。
○ 次いでグラフェンポリマーを、室温で機能化するために、5~20分にわたりPBAの溶液に導入した。
○ 機能化ステップの後、センサは使用できる状態になる。
Functionalization: As an example, graphene FETs were functionalized with a linker molecule (Rock) that specifically binds to glucose molecules in fluids. 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 placed on the graphene, typically less than 0.5 mm thick, and then separated from the catalyst substrate it was grown on.
o The graphene polymer composite was then placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide, etc. and heated at 80-150 degrees Celsius for 1-10 minutes to remove any impurities.
o The graphene polymer was then introduced into the 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。 Responses of various D-glucose concentrations in DI water were measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose.

DI水中で0.1から100mg/dLに及ぶ様々な濃度のD-グルコースを含む溶液を調製し、それと共に、DI水中に様々な濃度のラクトースを調製した。試験は、5ulの最低濃度をGFET上に導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様にした。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Solutions containing 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, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was 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。 FIG. 9 shows that 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 concentrations changed the voltage across the channel, thereby demonstrating 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 sensitivity of functionalized sensors was studied to understand the action of NaCl solutions.

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 on the GFET, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. Here the concentrations increased logarithmically. This was 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。 FIG. 10 shows that the D-glucose response in NaCl is amplified over the D-glucose response in DI water. A polar solution providing PFGT over 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: Responses of various D-glucose concentrations in NaCl were measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose.

NaCl溶液中で0.1から100mg/dLに及ぶ様々な濃度のD-グルコースを含む溶液を調製し、それと共に、DI水中で様々な濃度のNaClを調製した。試験は、GFET上に5ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。ここで、濃度は対数的に増加した。これを、全ての濃度がGFETに導入されるまで継続した。 Solutions containing various concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL in NaCl solution were prepared along with various concentrations of NaCl in DI water. The test started by introducing the lowest concentration of 5 ul on the GFET, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. Here the concentrations increased logarithmically. This was 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 gave no significant response to NaCl solutions alone, and solutions of increasing D-glucose concentrations at a fixed NaCl concentration showed a linear response to solutions of increasing NaCl concentration. Increasing concentrations changed the voltage across the channel, indicating high selectivity for D-glucose. GFETs (NFETs) functionalized with PBA gave a highly selective response (95%) to glucose concentration.

図11は、機能化グルコースセンサがNaClに対して感度がなく(オレンジの曲線がかなり平らであるので)、それに対してグルコース曲線は、NaCl溶液中に存在するグルコースの濃度が増加するにつれて上昇するというアイデアを与える。 FIG. 11 shows that the functionalized glucose sensor is insensitive to NaCl (because the orange curve is fairly flat), whereas the glucose curve rises as the concentration of glucose present in the NaCl solution increases. give 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 measurement of D-glucose response in DI water: Various D-glucose concentration responses in DI water were measured on the GFET to study the sensitivity range of functionalized sensors 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 with 3 injections of 5 ul of DI water on the GFET every 3 minutes, followed by 5 ul of the lowest concentration, followed by the next higher concentration after 3 minutes. , and so on. Here the concentration increased logarithmically; eg from 0.25 pg/l, then 2.5 pg/l and so on. This was 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。 FIG. 12 shows that the GFET gave no significant response to DI water alone, with a linear response starting from the lowest concentration to the highest concentration, with increasing concentrations changing the current across the channel, thereby , indicating that a high sensitivity of about 250 femtograms/liter (ie 1.38e −12 mmol/l) was exhibited for D-glucose.

機能化ステップ:図13には、機能化前、機能化後、およびグルコースがセンサ上に導入された後の、グラフェンセンサに関する電流応答が示される。このことは、GFET製作ステップの各段階と、各段階後にGFETの電流応答がどのように変化するかの理解を助ける。例えば、図13には、機能化前(青)に比べて機能化後(オレンジ)に電流応答が増加することが示され、これは、リンカー分子がπ-π結合によって結合されかつグラフェンの表面上の全ての電荷が増加することによって生じる。リンカー分子はグルコース分子を引き付け、これらの電荷雲を使用することによってそれに結合し、それによって、その以前の状態に比べてGFET上での電流が低減される。 Functionalization Step: Figure 13 shows the current response for the graphene sensor before functionalization, after functionalization and after glucose was introduced onto the sensor. This aids in understanding each stage of the GFET fabrication steps and how the current response of the GFET changes after each stage. For example, FIG. 13 shows an increase in current response after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue), because the linker molecules are linked by π-π bonds and the graphene surface It is caused by an increase in all charges above. The linker molecule attracts glucose molecules and binds to them 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: Human sweat glucose concentration measurements were performed in human subjects. The test required subjects to engage in physical activity such as running, take blood samples, and measure blood glucose every few minutes using a glucose meter. GFETs were worn by human subjects on the forearms and hips (eccrine sweat glands). Electrical responses due to D-glucose concentrations in sweat were transmitted and recorded continuously (every 500 ms) while the subject underwent 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 has eaten, glucose levels begin to drop and stabilize.

ランニングの場合、走り始めるにつれ、身体はグルコースを使用し、それを分解してランニング用のエネルギーを得る。したがってグルコースの低下が見られる。しかし、いくつかの時点の後、身体のインスリンは作用し始め、総グルコース値は再び上昇し始める。 In the case of running, as you start running, your body uses glucose and breaks it down to get energy for running. A drop in glucose is therefore seen. After some time, however, the body's insulin kicks in 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 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R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 were also plotted against time over the entire duration of training. Sweat glucose measurements correlated with blood glucose measurements. Here, the sweat glucose values against the corresponding blood glucose values are again plotted against blood (blood vs. sweat) to get the correlation R2 and how well the sweat glucose matches blood glucose. 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R=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 at the same time. Over 150 curves for sweat glucose were collected from 10 human subjects and correlated with blood glucose over the course of their study. Subjects engaged in physical activity (training, running, etc.) or no physical activity (such as 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 highly selective responses (>95%) to glucose concentrations in various control fluids.

高感度:PBAで機能化されたGFETは、D-グルコースに高感度を示し、その検出限界(LOD)は250フェムトグラム/リットル、即ち1.38e-12mmol/lであった。既存のグルコース測定器は、0.3~1.1mmol/lの間のLODを有する。PBAで機能化されたGFETは、既存の標準的なグルコース測定デバイスよりも感度が約1010倍高い。GFETセンサは、高い信号対雑音比を有し、高感度であり、また結合のための表面積が広いことに起因して、表面とレセプタ分子との間の結合はより強力である。これらの因子の全ては、GFETを高感度にするのに非常に大きな差別化する役割を演ずる。 High sensitivity: GFET functionalized with PBA showed high sensitivity to D-glucose with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter or 1.38e −12 mmol/l. Existing glucose meters have LODs between 0.3 and 1.1 mmol/l. The PBA-functionalized GFET is approximately 10 times more sensitive than existing standard glucose-measuring devices. GFET sensors have a high signal-to-noise ratio, high sensitivity, and due to the large surface area for binding, the binding between the surface and receptor molecules is stronger. All of these factors play a very large differentiating role in making GFETs highly sensitive.

極性分子に起因したゲート変調:極性流体(水、塩など)では、極性分子(イオンなど)がNFET上に極性流体ゲート端子(PFGT)を形成することが観察された。グラフェン表面付近の極性分子は、誘電効果を誘起させ、電荷移動のためのチャネルを創出した。PFGTのゲート強度は、流体中の極性分子の電荷と濃度の両方に依存した。そのような第3の極性流体ゲート端子(PFGT)は、極性流体中のグルコース濃度からの電気応答を変調させた。 Gate modulation due to polar molecules: In polar fluids (water, salt, etc.), polar molecules (such as ions) were observed to form polar fluid gate terminals (PFGTs) on NFETs. Polar molecules near the graphene surface induced dielectric effects and created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and the concentration of polar molecules in the fluid. Such a third polar fluid gate terminal (PFGT) modulated electrical responses from glucose concentrations in polar fluids.

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 binding. When the concentration of glucose bound to the sensor becomes higher than that in sweat due to its Gibbs free energy, glucose molecules become liberated from PBA and a reversible nature is observed; This is clearly seen in the electrical response recorded in FIG. 14 as the concentration of glucose drops momentarily. This enables 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。 Glucose sensor reusability due to movement of polar fluids on the sensor surface: movement of polar fluids (such as glucose in salt) over NFETs enhances removal of bound glucose molecules from linker molecules 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 the 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 fluids on the surface of NFETs: Polar fluids (such as glucose in salt) are quickly repelled or expelled 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 higher the strength of the PFGT and thus the greater the repulsive action. This repulsion, combined with the removal of bound glucose molecules (described in section e above), and the modulation of the electrical response caused by PFGTs on NFETs could lead to a more sensitive selective and continuous monitoring glucose system. made it 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%(R)の相関が、血糖および汗中グルコース測定の間で計算された。相関は、様々な身体活動条件下、10名のヒト対象から収集された150の汗中グルコース応答に関して計算された。汗は、高度に希釈され限外濾過されるので、連続的にグルコースを測定するのに非常に良好な極性流体であることが観察された。
(実施例4)
乳酸試料の分析
Real-time continuous glucose monitoring in human sweat: PBA-functionalized GFETs were worn by human subjects on the forearms and hips (eccrine sweat glands). Sweat is diluted and ultrafiltered blood. The electrical response due to the D-glucose concentration in sweat was measured continuously while the subject was engaged in a) strenuous physical activity (training) and b) non-vigorous physical activity (such as sitting at an office desk and eating). Targets (every 500 ms) were transmitted and recorded. The sweat glucose response was 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 resulting from PFGT on GFET enabled continuous noninvasive monitoring of glucose molecules in human sweat. A correlation of 84% (R 2 ) was calculated between blood 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 continuous glucose measurement because it is highly diluted and ultrafiltered.
(Example 4)
Analysis of lactic acid samples

これらの実施例では、固定された電流または電圧をGFETに通した。 In these examples, a fixed current or voltage was passed through the GFET.

機能化:グラフェンFETを、流体中の乳酸分子に特異的に結合するリンカー分子(ロック)で機能化した。例としてGFETを、乳酸オキシダーゼ(LOx)を用い、中間体であるピレン-NHSの連結化学を使用してグラフェン表面に機能化した。
○ ポリマーを、通常は0.5mm未満の厚さでグラフェン上に配置し、次いでそれを上に成長させた触媒基板から分離する。
○ 次いでグラフェンポリマー複合体を、テフロン(登録商標)、ポリイミドなどのポリマー基板上に置き、1~10分間、摂氏80~150度で加熱して、いかなる不純物も除去する。
○ 次いでグラフェンポリマーを、室温で機能化するために、5~20分にわたりピレン-NHSの溶液に導入する。
○ 次いでグラフェンポリマーを、室温で520分間にわたり結合させるためにLOxの溶液に導入する。
○ 機能化ステップの後、センサは使用できる状態になる。
Functionalization: Graphene FETs were functionalized with a linker molecule (Rock) that specifically binds to lactate molecules in fluids. As an example, a GFET was functionalized to the graphene surface using the intermediate pyrene-NHS linkage chemistry with lactate oxidase (LOx).
o The polymer is placed on the graphene, typically less than 0.5 mm thick, and then separated from the catalyst substrate grown on it.
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 bonding at room temperature for 520 minutes.
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)
o DI water response in functionalized GFETs.

DI水中の乳酸応答の選択性測定:DI中の様々な乳酸濃度の応答を、GFET上で測定して、乳酸に対する機能化センサの感度を研究した。DI水中0~25mMに及ぶ様々な濃度の乳酸の溶液を、調製した。試験は、2ulの最低濃度をGFET上に導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様にした。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Selectivity measurement of lactate response in DI water: Responses of various lactate concentrations in DI water were measured on the GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactate. Solutions of various concentrations of lactic acid ranging from 0-25 mM in DI water were prepared. The test started by introducing the lowest concentration of 2 ul onto the GFET, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was 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。 FIG. 17 shows that the GFET gives no significant response to DI alone and the polynomial response is to high lactate concentrations in DI water, with increasing concentrations changing the voltage across the channel, It showed high selectivity for lactic acid in DI water using DI water as a control.

様々な溶液中の乳酸応答の選択性測定:様々な溶液中の様々な乳酸濃度の応答を、GFET上で測定して、乳酸に対する機能化センサの感度および非機能化センサ上での応答を研究した。NaClおよびNaClグルコース中で0から25mMに及ぶ様々な濃度の乳酸を含む溶液を調製した。試験は、GFET上に2ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。これを、それぞれの溶液について別個に、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Selectivity measurement of lactate response in different solutions: Responses of different lactate concentrations in different solutions were 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 on the GFET, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was continued until all concentrations were introduced onto the GFET, separately for each solution.

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。 FIG. 18 shows that GFET gave no significant response to NaCl and NaCl glucose controls alone, and gave polynomial responses to increasing lactate concentrations in NaCl and NaCl glucose solutions. Increasing concentrations changed the voltage across the channel, thereby demonstrating high selectivity for lactate. There was no significant response in the non-functionalized sensor for the lactate NaCl solution, further highlighting the sensor's selectivity and sensitivity to lactate.

NaCl中の乳酸応答対DI水中の乳酸応答:DI水およびNaCl溶液中の様々な乳酸濃度の応答を、GFET上で測定して、DI水中の乳酸対NaCl中の乳酸に対する機能化センサの感度を研究し、NaCl溶液の作用を理解した。DI水およびNaCl中で、それぞれ、0.1から100mg/dLに及ぶ、乳酸の様々な濃度を含む溶液を調製した。試験は、GFET上に、2ulの最低濃度を導入することから開始し、その後、次に高い濃度を3分後に導入し、以下同様であった。これを、全ての濃度がGFET上に導入されるまで継続した。 Lactate response in NaCl versus lactate response in DI water: Responses of various lactate concentrations in DI water and NaCl solutions were measured on the GFET to determine the sensitivity of the functionalized sensor to lactate in DI water versus lactate in NaCl. studied and understood the action of NaCl solutions. Solutions containing various concentrations of lactic acid ranging from 0.1 to 100 mg/dL were prepared in DI water and NaCl, respectively. The test started by introducing the lowest concentration of 2 ul on the GFET, then the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

図19は、NaCl中の乳酸応答が、DI水中の乳酸応答よりもそれほど増幅されないことを示す。 Figure 19 shows that the lactate response in NaCl is less amplified than the lactate response in DI water.

GFET製作を通じて視覚化された乳酸機能化ステップ:機能化前、機能化後、および乳酸をセンサ上に導入した後の、グラフェンセンサに関する電流応答を、図20に図示する。これは、GFET製作ステップの各段階と、各段階後にGFETの電流応答がどのように変化するかの理解を助ける。例えば図20は、電流応答が、機能化前(青)に比べて機能化後(オレンジ)に低下することを示す。リンカー分子は乳酸分子を引き付け、それに結合し、それによって、その以前の状態に比べてGFET上での電流が低減される。 Lactate functionalization step visualized through GFET fabrication: Current responses for the graphene sensor before functionalization, after functionalization, and after introduction of lactate onto the sensor are illustrated in FIG. This aids in understanding each stage of the GFET fabrication steps and how the current response of the GFET changes after each stage. For example, FIG. 20 shows that the current response decreases after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue). The linker molecule attracts and binds to the lactate molecule, thereby reducing the current on the GFET relative 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: GFETs (NFETs) functionalized with LOx gave highly selective responses (>94%) to lactate concentrations in various control fluids.

高感度:ピレンNHSで機能化されたGFETは、乳酸に高感度を示し、その検出限界(LOD)は250フェムトグラム/リットル、即ち2.78e-12mmol/lであった。既存の乳酸測定器は、0.001~10mmol/lの間のLODを有する。ピレンNHSで機能化されたGFETは、既存の標準的な乳酸測定デバイスよりも感度が約108倍高い。GFETセンサは、高い信号対雑音比を有し、高感度であり、また結合のための表面積が広いことに起因して、表面とレセプタ分子との間の結合はより強力である。これらの因子の全ては、GFETを高感度にするのに非常に大きな差別化する役割を演ずる。 High sensitivity: GFET functionalized with pyrene NHS showed high sensitivity to lactate with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter or 2.78e −12 mmol/l. Existing lactate meters have LODs between 0.001 and 10 mmol/l. GFETs functionalized with pyrene NHS are about 108 times more sensitive than existing standard lactate measuring devices. GFET sensors have a high signal-to-noise ratio, high sensitivity, and due to the large surface area for binding, the binding between the surface and receptor molecules is stronger. All of these factors play a very large differentiating role in making GFETs highly sensitive.

極性分子に起因したゲート変調:極性流体(水、塩など)では、極性分子(イオンなど)がNFET上に極性流体ゲート端子(PFGT)を形成することが観察された。グラフェン表面付近の極性分子は、誘電効果を誘起させ、電荷移動のためのチャネルを創出した。PFGTのゲート強度は、流体中の極性分子の電荷と濃度の両方に依存した。そのような第3の極性流体ゲート端子(PFGT)は、極性流体中の乳酸濃度からの電気応答を変調させた。 Gate modulation due to polar molecules: In polar fluids (water, salt, etc.), polar molecules (such as ions) were observed to form polar fluid gate terminals (PFGTs) on NFETs. Polar molecules near the graphene surface induced dielectric effects and created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and the concentration of polar molecules in the fluid. Such a third polar fluid gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from lactate concentrations in polar fluids.

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 motion of polar fluids on the surface of NFETs: Polar fluids (such as lactic acid in artificial perspiration) are likely to be quickly repelled or removed from the NFETs due to the high hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluids. is considered to be The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the higher the strength of the PFGT and thus the greater the repulsive action. This repulsion combined with the modulation of the electrical response due to PFGT on NFET enabled a more sensitive selective and continuous monitoring lactate system.
(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。 Correlation of Sweat Salt Concentration: FIG. 21 represents the sweat sensor response in terms of 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 (eg, 0.1 mg/dl), followed by the next higher concentration (eg, 0.2 mg/dl), and so on for 3 minutes. Dropped at intervals. The fractional rate of change of the corresponding 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 corresponding voltage changes.

汗中グルコース濃度の相関:図22は、対応する汗中グルコース濃度に関する、汗センサ応答を表す。 Correlation of Sweat Glucose Concentrations: FIG. 22 represents sweat sensor responses in terms of 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 starts by dropping the lowest concentration (eg 0.1 mg/dl) of 5 ul, followed by the next higher concentration (eg 0.2 mg/dl) and so on for 3 minutes. Drops were 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 corresponding voltage changes.

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: FIG. 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 high concentration NaCl solution ranging from 0.1 ng/dl to 1 mg/dl is dropped onto the sensor every 3 minutes. The test begins by dropping the lowest concentration of 2 ul (e.g. 0.1 ng/dl) 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, both the Debye length and the gating effect being functions of the concentration of polar molecules. With respect to the initial concentration of the NaCl solution, DI dominates, resulting in more holes being created and a voltage drop seen. However, after a few drops, when the concentration of NaCl increases in 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 demonstrates the transconductance properties of graphene sensors gated with polar fluids.

上述の様々な方法および技法は、本発明を実施するいくつかの手法を提供する。当然ながら、本明細書に記載される任意の特定の実施形態に従って、必ずしも記載される全ての目的または利点を実現し得る必要がないことが理解されよう。したがって例えば、当業者なら、方法は、本明細書に教示されまたは提示され得るようなその他の目的または利点を必ずしも実現することなく、本明細書に教示されるような1つの利点または利点の群を実現しまたは最適化するように行うことができることが理解されよう。様々な有利なおよび不利な代替例が本明細書に記述される。一部の好ましい実施形態は、1つの、別の、またはいくつかの有利な特徴を特に含み、一方、その他は特に、1つの、別の、またはいくつかの不利な特徴を排除し、一方、さらなるその他は特に、1つ、別の、またはいくつかの有利な特徴を含むことによって本発明の不利な特徴を緩和することを理解されたい。 The various methods and techniques described above provide several ways of implementing the invention. Of course, it is to be understood that not necessarily all objectives or advantages described may be achieved in accordance with any particular embodiment described herein. Thus, for example, it will be appreciated by one skilled in the art that a method may achieve one advantage or group of advantages as taught herein without necessarily fulfilling other purposes or advantages as may be taught or presented herein. It will be appreciated that this can be done to achieve or optimize the Various advantageous and disadvantageous alternatives are described herein. Some preferred embodiments specifically include one, another, or some advantageous feature, while others specifically exclude one, another, or some disadvantageous feature, while It is to be understood that still others, among other things, 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。 Furthermore, those skilled in the art will appreciate the applicability of various features from different embodiments. Likewise, the various elements, features, and steps discussed above, and other known equivalents for such elements, features, and steps, may be used so that the methods are performed in accordance with the principles described herein. It can be mixed and matched by those skilled in the art. Of the various elements, features, and steps, some are specifically included and others are specifically excluded in various embodiments.

本発明は、ある特定の実施形態および実施例の文脈で開示されてきたが、当業者なら、本発明の実施形態が、特に開示された実施形態を超えてその他の代替の実施形態および/または使用とそれらの修正例および均等物にまで拡張されることが理解されよう。 Although the present invention has been disclosed in the context of certain specific embodiments and examples, it will be appreciated by those skilled in the art that embodiments of the present invention extend beyond the specifically disclosed embodiments to other alternative embodiments and/or It will be understood that it extends to uses and 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 alternatives have been disclosed in embodiments of the invention. Still other variations and alternatives 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 present invention are referred to as " It is to be understood that it is optionally modified by the term "about". Accordingly, in some embodiments, the numerical parameters set forth in the written description and appended claims are approximations that may vary depending on the desired properties sought to be obtained by a particular embodiment. is. In some embodiments, numeric parameters should be interpreted in light of the reported number of significant digits and by applying normal rounding techniques. Notwithstanding that the numerical ranges and parameters setting forth the broad scope of some embodiments of the invention are approximations, the numerical values set forth in the specific examples are reported as precisely as practicable. The numerical values presented in some embodiments of this invention may necessarily contain certain errors resulting from the standard deviation found in their respective testing measurements.

一部の実施形態では、本発明の特定の実施形態について記載する文脈(特に、以下の特許請求の範囲のある特定の文脈)で使用される「a」および「an」および「the」という用語、ならびに類似の言及は、単数形および複数形の両方を包含すると解釈することができる。本明細書の値の範囲の列挙は、その範囲内に包含されるそれぞれ別個の値を個々に指す簡略な方法を単に意図するものである。本明細書で他に指示しない限り、個々の値のそれぞれは、本明細書に個々に列挙されたかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記述された全ての方法は、本明細書で他に指示しない限りまたは文脈により明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で行うことができる。本明細書のある特定の実施形態に関して提示される、任意のおよび全ての実施例、または例示的な言語(例えば、「~など」)の使用は、単に本発明をより良く例示することを意図するものであり、別様に特許請求されている本発明の範囲に制限を課すものではない。本明細書では、本発明の実施に必須の任意の、特許請求の範囲に記載されていない要素を示すと解釈されるべき言語はない。 In some embodiments, the terms "a" and "an" and "the" are used in the context of describing particular embodiments of the invention (particularly in certain contexts of the claims below). , and similar references may be construed to include both singular and plural forms. Recitation of ranges of values herein is merely intended as a shorthand method of referring individually to each separate value falling within the range. Unless otherwise indicated herein, each individual value is incorporated herein as if it were individually recited herein. All methods described herein can be performed in any suitable order unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by context. The use of any and all examples or exemplary language (eg, "such as") provided with respect to certain embodiments herein is intended solely to better illustrate the invention. and does not impose any limitation on the scope of any invention otherwise claimed. No language in the specification 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 limitations. 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. When any such inclusion or deletion occurs, the specification is hereby deemed to contain the group as modified and thus all Markush groups used in the claims appended hereto. satisfies the description.

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 may become apparent to those of ordinary skill in the art upon reading the foregoing description. It is contemplated that one skilled in the art may employ such variations as appropriate, and the invention may be practiced otherwise than 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. Moreover, any combination of the above-described elements in all possible variations thereof is encompassed by the invention unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by context.

さらに、数多くの参照が、本明細書の全体を通して特許および印刷された刊行物に対して行われてきた。上記引用された参考文献および印刷された刊行物は、それらの全体が参照により本明細書に個々に組み込まれる。 Additionally, numerous references have been made to patents and printed publications throughout this specification. The references and printed publications cited above are hereby individually incorporated 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。 In closing, it is to be understood that the embodiments of the invention disclosed herein are illustrative of the principles of the invention. Other modifications that can be used are within the scope of the invention. Thus, by way of example and not limitation, alternative configurations of the present invention may be utilized in accordance with the teachings herein. Accordingly, the embodiments of the invention are not limited to those precisely shown and described.

Claims (20)

電界効果トランジスタであって、
ドレイン電極と、
ソース電極と、
基板と、
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、
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
を含
ここで、前記極性流体および前記チャネルは集合的に前記極性流体誘起ゲート端子として機能する、
電界効果トランジスタ。
A field effect transistor,
a drain electrode;
a source electrode;
a substrate;
a layer of nanoscale material disposed on the substrate as a channel extending between and electrically connecting the source and drain electrodes;
A polar fluid-induced gate terminal formed when a polar fluid is exposed to said nanoscale material layer, wherein said polar fluid-induced gate terminal creates an induced gate voltage in said channel to cause said a polar fluid-induced gate terminal that enables the field effect transistor to function as an active device when a polar fluid is externally introduced into the channel;
wherein said polar fluid and said channel collectively function as said polar fluid-induced gate terminal;
Field effect transistor.
前記極性流体が液滴として前記チャネルに外部から導入される、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said polar fluid is externally introduced into said channel as droplets. 前記電界効果トランジスタがある体積の前記極性流体と接触した場合に、前記極性流体が前記チャネルに外部から導入される、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said polar fluid is externally introduced into said channel when said field effect transistor is in contact with a volume of said polar fluid. 前記アクティブデバイスが感知デバイスとして使用されるように構成されている、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said active device is configured for use as a sensing device. 前記アクティブデバイスがバイオセンシングのために使用されるように構成されている、請求項4に記載の電界効果トランジスタ。 5. The field effect transistor of Claim 4, wherein the active device is configured to be used for biosensing. 前記電界効果トランジスタが、前記基板上に形成される持続的物理的ゲート端子を含まないか、またはこれを必要としない、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said field effect transistor does not include or require a persistent physical gate terminal formed on said substrate. 前記誘起ゲート電圧は、前記極性流体内の荷電粒子の濃度に関連する、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein the induced gate voltage is related to the concentration of charged particles within the polar fluid. 前記極性流体誘起ゲート端子は、一過性であり、前記チャネルに前記極性流体が外部から導入された場合にのみアクティブである、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said polar fluid-induced gate terminal is transient and active only when said polar fluid is externally introduced into said channel. 前記電界効果トランジスタは、前記極性流体が前記チャネルから除去した場合に前記アクティブデバイスとして機能するように構成されていない、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said field effect transistor is not configured to function as said active device when said polar fluid is removed from said channel. 前記チャネルが、電気伝導性かつ化学感受性および/または生物感受性である、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said channel is electrically conductive and chemically and/or biologically sensitive. 前記ナノスケール材料が、エピタキシャル成長されている、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said nanoscale material is epitaxially grown. 前記ナノスケール材料が、グラフェン、CNT、MoS、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、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 said nanoscale materials are graphene, CNT, MoS2, boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerenes, 2D nanoscale materials, 3D nanoscale materials, 0D nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof. 前記極性流体が、極性分子を含有する溶液または極性分子を含有する気体を含む、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein the polar fluid comprises a solution containing polar molecules or a gas containing polar molecules. 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、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein the polar fluid comprises sweat, breath, saliva, cerumen, urine, semen, blood plasma, biological fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof. 前記極性流体が、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1つまたは複数の標的分析物を含む、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The polar fluid contains electrolytes, glucose, lactate, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, metabolites, peptides, amino acids, DNA, RNA, aptamers, enzymes, biomolecules, chemical molecules. 2. The field effect transistor of claim 1, comprising one or more target analytes including, synthetic molecules, or combinations thereof. 前記ナノスケール材料層に結合されたレセプタ層であって、前記極性流体中の1つまたは複数の標的分析物を標的とするように構成された1つまたは複数のレセプタを含むレセプタ層をさらに含む、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 Further comprising a receptor layer coupled to the nanoscale material layer, the receptor layer comprising one or more receptors configured to target one or more target analytes in the polar fluid. A field effect transistor according to claim 1. 前記1つまたは複数のレセプタが、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、または生体分子を含む、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 wherein said one or more receptors are pyreneboronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA 17. The field effect transistor of claim 16 , comprising (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, or biomolecules. 前記基板が、ポリイミド、フレキシブルプリント基板(FPC)、ポリアミド、ポリウレ
タン、PET、PDMS、PMMA、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、またはこれらの任意の組合せを含む、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
The substrate is polyimide, flexible printed circuit (FPC), polyamide, polyurethane, PET, PDMS, PMMA, silicon dioxide, silicon, glass, aluminum oxide, sapphire, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, silicon and germanium 2. The field effect transistor of claim 1, comprising alloys, fabrics, textiles, silk, paper, cellulose-based materials, or any combination thereof.
前記基板が、電気絶縁材料で作製されている、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 2. The field effect transistor of claim 1, wherein said substrate is made of an electrically insulating material. 請求項1に記載の電界効果トランジスタを含むバイオセンシングシステムであって、前記バイオセンシングシステムまたはその構成要素は、対象に装着されるように構成されており、前記電界効果トランジスタは、前記極性流体が前記対象の体から前記チャネルに外部から導入された場合に前記極性流体中の1つまたは複数の標的を検出するように構成されている、バイオセンシングシステム。 10. A biosensing system comprising the field effect transistor of claim 1, wherein the biosensing system or component thereof is configured to be worn on a subject, and wherein the field effect transistor is configured such that the polar fluid A biosensing system configured to detect one or more targets in the polar fluid when externally introduced into the channel from the subject's body.
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