KR20240045375A - Polar fluid gated field effect devices - Google Patents

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KR20240045375A
KR20240045375A KR1020247010269A KR20247010269A KR20240045375A KR 20240045375 A KR20240045375 A KR 20240045375A KR 1020247010269 A KR1020247010269 A KR 1020247010269A KR 20247010269 A KR20247010269 A KR 20247010269A KR 20240045375 A KR20240045375 A KR 20240045375A
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KR
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field effect
effect transistor
glucose
concentration
source
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KR1020247010269A
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라자테쉬 알 구디반데
사우랍 라다크리쉬난
안투안 갈란드
미트 보라
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그래프웨어 테크놀로지스 인크.
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Abstract

물리적 게이트를 갖지 않는, 예를 들어, 그래핀 기반 전계 효과 트랜지스터(GFET)들과 같은 나노스케일 전계 효과 트랜지스터(NFET)들이 본원에 개시된다. 대신, 이들은 극성 유체에 의해 게이팅된다. 이러한 트랜지스터를 사용하는 시스템 및 방법이 또한 개시된다.Disclosed herein are nanoscale field effect transistors (NFETs), e.g., graphene-based field effect transistors (GFETs), that do not have a physical gate. Instead, they are gated by a polar fluid. Systems and methods using such transistors are also disclosed.

Description

극성 유체 게이트를 갖는 전계 효과 디바이스{POLAR FLUID GATED FIELD EFFECT DEVICES}Field effect devices with polar fluid gates {POLAR FLUID GATED FIELD EFFECT DEVICES}

관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related applications

본 출원은 2016년 6월 30일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "용량성 응답을 통한 나노스케일 재료를 이용한 유체에서의 이온 농도의 검출"인 미국 가특허 출원 제62/356,729호와, 2016년 6월 30일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "땀 및 다른 체액의 유산염의 라벨 없는 검출을 위한 유산염-옥시다아제-기능화된 그래핀 폴리머 복합체"인 미국 가특허 출원 제62/356,742호에 대해 우선권을 주장하며, 그 각각이 전체로 본원에 참고로 통합된다.This application is based on U.S. Provisional Patent Application No. 62/356,729, filed on June 30, 2016, entitled “Detection of Ion Concentration in Fluids Using Nanoscale Materials Via Capacitive Response,” and Priority is granted to U.S. Provisional Patent Application No. 62/356,742, filed June 30 and entitled “Lactate-Oxidase-Functionalized Graphene Polymer Composite for Label-Free Detection of Lactate in Sweat and Other Body Fluids.” each of which is hereby incorporated by reference in its entirety.

발명의 분야field of invention

본원에 개시된 발명은 일반적으로 극성 유체에 의해 게이팅된 나노스케일 전계 효과 트랜지스터(NFET), 특히 그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)의 설계, 제조 및 어플리케이션에 관한 것이다. 본 발명은 또한 일반적으로 전계 효과 트랜지스터를 이용한 화학적 및 생물학적 감지에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 그래핀을 포함하는 생화학적으로 민감한 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터를 이용한 생화학 적 감지에 관한 것이다.The invention disclosed herein relates generally to the design, fabrication and application of nanoscale field effect transistors (NFETs), and in particular graphene field effect transistors (GFETs), gated by polar fluids. The present invention also relates generally to chemical and biological sensing using field effect transistors, and more specifically to biochemical sensing using field effect transistors having biochemically sensitive channels comprising graphene.

전계 효과 트랜지스터(FET)는 전계를 사용하여 디바이스의 전기적 거동을 제어하는 트랜지스터이다. 일반적으로, FET는 3개의 단자(예를 들어, 소스, 드레인 및 게이트) 및 활성 채널을 갖는다. 예를 들어, 반도전성 재료에 의해 형성된 활성 채널을 통해 전하 캐리어(전자 또는 정공)가 소스로부터 드레인으로 흐른다.A field-effect transistor (FET) is a transistor that uses electric fields to control the electrical behavior of a device. Typically, a FET has three terminals (eg, source, drain, and gate) and an active channel. For example, charge carriers (electrons or holes) flow from a source to a drain through an active channel formed by a semiconducting material.

소스(S)는 캐리어가 채널로 들어가는 곳이다. 드레인(D)은 캐리어가 채널을 떠나는 곳이다. 드레인-대-소스 전압은 VDS이며, 소스 대 드레인 전류는 IDS이다. 게이트(G)는 소스와 드레인 사이의 전류를 제어하기 위해 게이트 전압(VG)을 인가함으로써 채널 전도도를 조절한다.Source (S) is where the carrier enters the channel. Drain (D) is where the carrier leaves the channel. The drain-to-source voltage is VDS and the source-to-drain current is IDS. The gate (G) adjusts the channel conductance by applying a gate voltage (VG) to control the current between the source and drain.

그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)와 같은 나노스케일 전계 효과 트랜지스터(NFET)는 바이오프로브(bioprobe), 임플란트 등과 같은 많은 어플리케이션에서 광범위하게 사용된다.Nanoscale field-effect transistors (NFETs), such as graphene field-effect transistors (GFETs), are widely used in many applications such as bioprobes, implants, etc.

이 분야에서 필요한 것은 FET의 보다 우수한 설계 및 이들을 사용하는 새로운 방식이다.What is needed in this field is better design of FETs and new ways to use them.

일 양태에서, 전계 효과 트랜지스터가 본원에 개시된다. 전계 효과 트랜지스터는 드레인 전극; 드레인 전극; 소스 전극; 전기 절연성 기판; 기판 상에 배치된 나노스케일 재료층 - 여기서, 나노스케일 재료층은 전기적으로 도전성이고 화학적으로 민감한 채널을 부분적으로 규정하고, 나노스케일 재료층 및 채널은 드레인 전극과 소스 전극 사이에서 연장되고 드레인 전극과 소스 전극에 전기적으로 접속됨 - ; 및 나노스케일 재료층에 노출된 극성 유체에 의해 생성된 극성 유체 유도된 게이트 단자를 포함한다. 일부 실시예에서, 극성 유체는 타겟 피분석물을 포함한다. 추가적인 실시예에서, 극성 유체는 타겟 피분석물에 응답하여 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전압 대 채널 전류 특성을 최적화하는 극성 유체 게이트 전압을 유도하기에 충분한 전하 농도를 갖는다.In one aspect, a field effect transistor is disclosed herein. A field effect transistor has a drain electrode; drain electrode; source electrode; electrically insulating substrate; A layer of nanoscale material disposed on a substrate, wherein the layer of nanoscale material partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel, wherein the layer of nanoscale material and the channel extend between the drain electrode and the source electrode and between the drain electrode and the channel. Electrically connected to the source electrode - ; and a polar fluid induced gate terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer. In some embodiments, the polar fluid includes the target analyte. In a further embodiment, the polarized fluid has a charge concentration sufficient to induce a polarized fluid gate voltage that optimizes the gate voltage to channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.

일부 실시예에서, 정전류원 또는 정전압원에 의해 제공되는 정전류 또는 정전압이 소스 전극과 드레인 전극 사이에 인가된다.In some embodiments, a constant current or constant voltage provided by a constant current source or constant voltage source is applied between the source electrode and the drain electrode.

일부 실시예에서, 나노스케일 재료는 그래핀, CNT들, MoS2, 질화 붕소, 금속 디칼코게나이드(dichalcogenides), 포스포린, 나노 입자들, 양자점들, 풀러린, 2D 나노스케일 재료, 3D 나노스케일 재료, OD 나노스케일 재료, 1D 나노스케일 재료 또는 그 임의의 조합을 포함한다.In some embodiments, the nanoscale material includes graphene, CNTs, MoS2, boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerene, 2D nanoscale material, 3D nanoscale material, OD nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.

일부 실시예에서, 극성 유체는 극성 분자들을 갖는 용액, 극성 분자들을 갖는 가스, 타겟 감지 피분석물, 또는 그 조합을 포함한다.In some embodiments, the polar fluid includes a solution with polar molecules, a gas with polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.

일부 실시예에서, 극성 유체는 땀, 호흡, 타액, 귀지, 소변, 정액, 혈장, 생체-유체, 화학적 유체, 공기 샘플, 가스 샘플 또는 그 조합을 포함한다.In some embodiments, polar fluids include sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, plasma, bio-fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof.

일부 실시예에서, 타겟 피분석물은 전해질, 글루코스(glucose), 유산(lactic acid), IL6, 사이토카인(cytokine), HER2, 코르티솔(cortisol), ZAG, 콜레스테롤, 비타민, 단백질, 약 분자(drug molecule), 메타볼라이트(metabolite), 펩타이드, 아미노산, DNA, RNA, 압타머(aptamer), 효소, 생체 분자, 화학 분자, 합성 분자 또는 그 조합을 포함한다.In some embodiments, the target analyte is electrolyte, glucose, lactic acid, IL6, cytokine, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamin, protein, drug molecule. molecule, metabolite, peptide, amino acid, DNA, RNA, aptamer, enzyme, biomolecule, chemical molecule, synthetic molecule, or a combination thereof.

일부 실시예에서, 전계 효과 트랜지스터는 나노스케일 재료층 상에 퇴적된 수용체층을 더 포함하고, 수용체층은 타겟 피분석물을 타겟으로 하는 수용체들을 포함한다.In some embodiments, the field effect transistor further includes a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, where the receptor layer includes receptors targeting a target analyte.

일부 실시예에서, 수용체들은 피렌 붕산(PBA: pyrene boronic acid), 피렌 N-하이드록시숙신이미드 에스테르(피렌-NHS), 유기 화학물, 방향족 분자, 환형 분자, 효소, 단백질, 항체, 바이러스, 단일 가닥 DNA(ssDNA)들, 압타머, 무기 재료, 합성 분자, 생물학적 분자를 포함한다.In some embodiments, receptors include pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, Includes single-stranded DNA (ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, and biological molecules.

일부 실시예에서, 전계 효과 트랜지스터는 추가적인 기계적, 전기적, 화학적, 생물학적 기능 또는 그 조합에 대한 지지체를 제공하기 위해 나노스케일 재료층 아래의 백(back) 폴리머층을 더 포함한다.In some embodiments, the field effect transistor further includes a back polymer layer beneath the nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functions, or combinations thereof.

일부 실시예에서, 백 폴리머층은 탄소 폴리머, 바이오 폴리머, PMMA, PDMS, 가요성 유리, 나노스케일 재료, 실리카 겔, 실리콘, 잉크, 인쇄된 폴리머 또는 그 임의의 조합을 포함한다.In some embodiments, the back polymer layer includes carbon polymer, biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale material, silica gel, silicone, ink, printed polymer, or any combination thereof.

일 양태에서, 극성 유체 내의 타겟 피분석물을 감지하기 위한 방법이 본원에 개시된다. 본 방법은, 극성 유체 샘플을 전계 효과 트랜지스터에 노출시키는 단계(여기서, 전계 효과 트랜지스터는, 드레인 전극; 소스 전극; 전기 절연성 기판; 기판 상에 배치된 나노스케일 재료층 - 여기서, 나노스케일 재료층은 전기적으로 도전성이고 화학적으로 민감한 채널을 부분적으로 규정하고, 나노스케일 재료층 및 채널은 드레인 전극과 소스 전극 사이에서 연장되고, 드레인 전극과 소스 전극에 전기적으로 접속됨 - ; 및 나노스케일 재료층에 노출된 극성 유체에 의해 생성된 극성 유체 유도된 게이트 단자를 포함하되, 극성 유체는 타겟 피분석물을 포함하고, 피분석물을 검출하기 위해 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전압 대 채널 전류 특성을 최적화하는 극성 유체 게이트 전압을 유도하기에 충분한 전하 농도를 가짐); 제1 시점에서 제1 소스-드레인 전압을 측정하고, 제2 시점 및 후속 시점에서 제2 소스-드레인 전압을 측정하는 단계; 및 제1 소스-드레인 전압 및 제2 소스-드레인 전압에 기초하여 극성 유체의 타겟 피분석물의 농도를 결정하는 단계를 포함한다.In one aspect, disclosed herein is a method for detecting a target analyte in a polar fluid. The method includes exposing a polar fluid sample to a field effect transistor, wherein the field effect transistor comprises: a drain electrode; a source electrode; an electrically insulating substrate; and a nanoscale material layer disposed on the substrate, wherein the nanoscale material layer is partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel, the nanoscale material layer and the channel extending between the drain electrode and the source electrode, electrically connected to the drain electrode and the source electrode, and exposed to the nanoscale material layer. A polar fluid induced gate terminal generated by a polar fluid, wherein the polar fluid includes a target analyte, and the polar fluid optimizes the gate voltage versus channel current characteristics of the field effect transistor to detect the analyte. has sufficient charge concentration to induce a gate voltage); measuring a first source-drain voltage at a first time point and measuring a second source-drain voltage at a second time point and subsequent time points; and determining the concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first source-drain voltage and the second source-drain voltage.

일부 실시예에서, 나노스케일 재료는 그래핀, CNT들, MoS2, 질화 붕소, 금속 디칼코게나이드, 포스포린, 나노 입자들, 양자점들, 풀러린, 2D 나노스케일 재료, 3D 나노스케일 재료, OD 나노스케일 재료, 1D 나노스케일 재료 또는 그 임의의 조합을 포함한다.In some embodiments, the nanoscale material is graphene, CNTs, MoS2, boron nitride, metal dichalcogenides, phosphorene, nanoparticles, quantum dots, fullerene, 2D nanoscale material, 3D nanoscale material, OD nanoscale materials, 1D nanoscale materials, or any combination thereof.

일부 실시예에서, 전계 효과 트랜지스터는 나노스케일 재료층 상에 퇴적된 수용체층으로 기능화되고, 수용체층은 타겟 피분석물을 타겟으로 하는 수용체들을 포함한다.In some embodiments, the field effect transistor is functionalized with a receptor layer deposited on a nanoscale material layer, the receptor layer comprising receptors targeting a target analyte.

일부 실시예에서, 수용체들은 피렌 붕산(PBA), 피렌 N-하이드록시숙신이미드 에스테르(피렌-NHS), 유기 화학물, 방향족 분자, 환형 분자, 효소, 단백질, 항체, 바이러스, 단일 가닥 DNA(ssDNA)들, 압타머, 무기 재료, 합성 분자, 생물학적 분자를 포함한다.In some embodiments, receptors include pyrene boric acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, single-stranded DNA ( ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, and biological molecules.

일부 실시예에서, 타겟 피분석물은 전해질, 글루코스, 유산, IL6, 사이토카인, HER2, 코르티솔, ZAG, 콜레스테롤, 비타민, 단백질, 약 분자, 메타볼라이트, 펩타이드, 아미노산, DNA, RNA, 압타머, 효소, 생체 분자, 화학 분자, 합성 분자 또는 그 조합을 포함한다.In some embodiments, the target analyte is electrolytes, glucose, lactic acid, 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.

일부 실시예에서, 극성 유체는 극성 분자들을 갖는 용액, 극성 분자들을 갖는 가스, 타겟 감지 피분석물 또는 그 조합을 포함한다.In some embodiments, the polar fluid includes a solution with polar molecules, a gas with polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.

일부 실시예에서, 본 방법은 제1 소스-드레인 전압과 제2 소스-드레인 전압 사이의 부분적 변화를 계산하는 단계를 더 포함한다.In some embodiments, the method further includes calculating a fractional change between the first source-drain voltage and the second source-drain voltage.

일부 실시예에서, 본 방법은 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극 사이에 정전류를 인가하는 단계를 더 포함한다.In some embodiments, the method further includes applying a constant current between the source and drain electrodes of the field effect transistor.

일부 실시예에서, 본 방법은 전계 효과 트랜지스터의 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 정전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.In some embodiments, the method further includes applying a constant voltage between the source electrode and the drain electrode of a field effect transistor.

일부 실시예에서, 극성 유체는 땀, 호흡, 타액, 귀지, 소변, 정액, 혈장, 생체-유체, 화학적 유체, 공기 샘플, 가스 샘플 또는 그 조합을 포함한다.In some embodiments, polar fluids include sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, plasma, bio-fluids, chemical fluids, air samples, gas samples, or combinations thereof.

일부 실시예에서, 본 방법은 추가적인 기계적, 전기적, 화학적, 생물학적 기능 또는 그 조합에 대한 지지체를 제공하기 위해 나노스케일 재료층 아래에 백 폴리머층을 더 포함한다.In some embodiments, the method further includes a back polymer layer beneath the nanoscale material layer to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological functions, or combinations thereof.

일부 실시예에서, 백 폴리머층은 탄소 폴리머, 바이오 폴리머, PMMA, PDMS, 가요성 유리, 나노스케일 재료, 실리카 겔, 실리콘, 잉크, 인쇄된 폴리머 또는 그 임의의 조합을 포함한다.In some embodiments, the back polymer layer includes carbon polymer, biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale material, silica gel, silicone, ink, printed polymer, or any combination thereof.

일 양태에서, 전계 효과 트랜지스터; 및In one aspect, a field effect transistor; and

전계 효과 트랜지스터와 전기적으로 접속된 정전류원 또는 정전압원을 포함하는 시스템이 본원에 개시된다. 전계 효과 트랜지스터는, 드레인 전극; 소스 전극; 전기 절연성 기판; 기판 상에 배치된 나노스케일 재료층 - 여기서, 나노스케일 재료층은 전기적으로 도전성이고 화학적으로 민감한 채널을 부분적으로 규정하고, 나노스케일 재료층 및 채널은 드레인 전극과 소스 전극 사이에서 연장되고, 드레인 전극과 소스 전극에 전기적으로 접속됨 - ; 및 나노스케일 재료층에 노출된 극성 유체에 의해 생성된 극성 유체 유도된 게이트 단자를 포함한다. 일부 실시예에서, 극성 유체는 타겟 피분석물을 포함한다. 일부 실시예에서, 극성 유체는 타겟 피분석물에 응답하여 전계 효과 트랜지스터의 게이트 전압 대 채널 전류 특성을 최적화하는 극성 유체 게이트 전압을 유도하기에 충분한 전하 농도를 갖는다.Disclosed herein is a system comprising a constant current source or constant voltage source electrically connected to a field effect transistor. A field effect transistor includes a drain electrode; source electrode; electrically insulating substrate; A layer of nanoscale material disposed on a substrate, wherein the layer of nanoscale material partially defines an electrically conductive and chemically sensitive channel, wherein the layer of nanoscale material and the channel extend between a drain electrode and a source electrode, and wherein the drain electrode and electrically connected to the source electrode - ; and a polar fluid induced gate terminal created by the polar fluid exposed to the nanoscale material layer. In some embodiments, the polar fluid includes the target analyte. In some embodiments, the polarized fluid has a charge concentration sufficient to induce a polarized fluid gate voltage that optimizes the gate voltage versus channel current characteristics of the field effect transistor in response to the target analyte.

일부 실시예에서, 정전류원은 전계 효과 트랜지스터를 통해 일정한 전류를 유지한다.In some embodiments, a constant current source maintains a constant current through a field effect transistor.

일부 실시예에서, 정전압원은 전계 효과 트랜지스터에 일정한 전압을 유지한다.In some embodiments, a constant voltage source maintains a constant voltage across the field effect transistor.

일부 실시예에서, 전압 출력 또는 전류 출력이 유선 또는 무선 송신을 통해 디지털 플랫폼에 전달된다.In some embodiments, the voltage output or current output is communicated to the digital platform via wired or wireless transmission.

일부 실시예에서, 디지털 플랫폼은 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터, 스마트 시계, 차량 내 엔터테인먼트 시스템, 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 컴퓨터 단말, 텔레비전 시스템, 전자-서적 판독기, 웨어러블 디바이스 또는 디지털 입력을 프로세싱하는 임의의 다른 유형의 컴퓨팅 디바이스를 포함한다.In some embodiments, the digital platform may be a smartphone, tablet computer, smart watch, in-vehicle entertainment system, laptop computer, desktop computer, computer terminal, television system, e-book reader, wearable device, or any other device that processes digital input. Includes tangible computing devices.

본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 본원에 개시된 임의의 실시예는 본 발명의 임의의 양태와 결부하여, 단독으로 또는 다른 실시예와 조합하여 사용될 수 있다.As known to those skilled in the art, any of the embodiments disclosed herein can be used alone or in combination with other embodiments, in connection with any aspect of the invention.

본 기술 분야의 통상의 기술자는 이하에 설명되는 도면들이 단지 예시적인 목적을 위한 것임을 이해할 것이다. 도면은 어떠한 방식으로든 본 교시의 범위를 한정하려는 것으로 의도되지 않는다.
도 1a는 그래핀 전계 효과 트랜지스터(gFET)를 나타내는 종래 기술의 실시예를 도시한다.
도 1b는 게이트 전압에 의해 제어되는 소스와 드레인 사이의 전류를 나타내는 종래 기술의 실시예를 도시한다.
도 2a는 게이트가 없는 그래핀 필드 효과(g-gFET)를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2b는 g-gFET를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2c는 g-gFET를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2d는 g-gFET를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3a는 극성 유체가 움직이지 않는 극성 유체 게이트 단자(PFGT)를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3b는 극성 유체가 제1 방향으로 흐르는 극성 유체 게이트 단자를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3c는 극성 유체가 제2 방향으로 흐르는 극성 유체 게이트 단자를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4a는 유전체 및 게이트 금속을 갖는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 게이트 전위는 게이트 금속과 접지 사이에서 측정된다.
도 4b는 PFGT 내에 금속 전극이 추가된 도 2a 내지 도 2d에 도시된 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 게이트 전위는 금속 전극과 접지 사이에서 측정된다.
도 4c는 PFGT 내의 유전체와 게이트 금속 및 금속 전극으로 보강된 도 2a 내지 도 2d에 도시된 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 2개의 게이트 전위가 표시된 대로 측정된다.
도 5a는 정전류원과 결부하여 사용되는 GFET를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5b는 정전압원과 결부하여 사용되는 GFET를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 DI 수(DI water) 중의 NaCl 반응의 선택도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 7은 DI 수 중의 NaCl 반응에 대한 감도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 8은 땀의 염화물 반응을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 9는 DI 수 중의 글루코스 반응의 선택도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 10은 NaCl 중의 글루코스 반응 대 DI 수 중의 글루코스 반응을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 11은 NaCl 수 중의 글루코스 반응의 선택도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 12는 DI 수 중의 D-글루코스 반응의 감도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 13은 GFET 제조를 통해 시각화된 기능화 단계를 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 14는 땀 중의 D-글루코스 반응을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 15는 혈액 중의 D-글루코스 반응을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 16은 혈액 글루코스와 땀 글루코스 사이의 측정 상관 관계를 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 17은 DI 수 중의 유산 반응의 선택도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 18은 다양한 용액 중의 유산 반응의 선택도 측정을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 19는 NaCl 중의 유산 반응 대 DI 수 중의 유산 반응을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 20은 GFET 제조를 통해 시각화된 유산 기능화 단계를 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 21은 땀 소듐(sodium) 농도와의 센서 상관 관계에 대한 모델을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 22는 땀 글루코스 농도와의 센서 상관 관계에 대한 모델을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 23은 PFT에 대한 트랜스-컨덕턴스 곡선을 나타내는 예시적인 실시예를 나타낸다.
Those skilled in the art will understand that the drawings described below are for illustrative purposes only. The drawings are not intended to limit the scope of the teachings in any way.
1A shows a prior art embodiment representing a graphene field effect transistor (gFET).
Figure 1B shows a prior art embodiment showing the current between source and drain controlled by the gate voltage.
Figure 2A shows an exemplary embodiment demonstrating gateless graphene field effect (g-gFET).
Figure 2b shows an exemplary embodiment representing a g-gFET.
Figure 2C shows an exemplary embodiment representing a g-gFET.
Figure 2D shows an exemplary embodiment representing a g-gFET.
FIG. 3A shows an exemplary embodiment showing a polar fluid gate terminal (PFGT) in which polar fluid is stationary.
3B shows an exemplary embodiment showing a polarized fluid gate terminal with polarized fluid flowing in a first direction.
FIG. 3C shows an exemplary embodiment showing a polarized fluid gate terminal with polarized fluid flowing in a second direction.
FIG. 4A shows an example embodiment representing the base device shown in FIGS. 2A-2D with a dielectric and gate metal. Gate potential is measured between the gate metal and ground.
Figure 4B shows an example embodiment representing the base device shown in Figures 2A-2D with a metal electrode added within the PFGT. Gate potential is measured between a metal electrode and ground.
FIG. 4C shows an exemplary embodiment representing the base device shown in FIGS. 2A-2D reinforced with a gate metal and metal electrode and dielectric in the PFGT. Two gate potentials are measured as indicated.
Figure 5A shows an exemplary embodiment representing a GFET used in conjunction with a constant current source.
Figure 5b shows an exemplary embodiment representing a GFET used in conjunction with a constant voltage source.
Figure 6 shows an exemplary example showing selectivity measurement of NaCl reaction in DI water.
Figure 7 shows an exemplary example showing sensitivity measurements for NaCl reaction in DI water.
Figure 8 shows an exemplary embodiment showing the chloride response in sweat.
Figure 9 shows an exemplary example showing selectivity measurements of the glucose reaction in DI water.
Figure 10 shows an exemplary example showing the glucose response in NaCl versus glucose response in DI water.
Figure 11 shows an exemplary example showing selectivity measurement of glucose reaction in NaCl water.
Figure 12 shows an exemplary example showing the sensitivity measurement of D-glucose response in DI water.
Figure 13 shows an exemplary embodiment showing functionalization steps visualized through GFET fabrication.
Figure 14 shows an exemplary example showing D-glucose response in sweat.
Figure 15 shows an exemplary example showing D-glucose response in blood.
Figure 16 shows an exemplary embodiment showing the measurement correlation between blood glucose and sweat glucose.
Figure 17 shows an exemplary example showing selectivity measurements of the lactic acid reaction in DI water.
Figure 18 shows an exemplary example showing selectivity measurements of lactic acid reactions in various solutions.
Figure 19 shows an exemplary example showing the lactic acid reaction in NaCl versus the lactic acid reaction in DI water.
Figure 20 shows an exemplary embodiment showing the lactic acid functionalization steps visualized through GFET fabrication.
Figure 21 shows an exemplary embodiment representing a model for sensor correlation with sweat sodium concentration.
Figure 22 shows an exemplary embodiment representing a model for sensor correlation with sweat glucose concentration.
Figure 23 shows an exemplary embodiment showing a trans-conductance curve for a PFT.

나노스케일 전계 효과 트랜지스터 및 이를 제조하고 사용하는 방법이 본원에 개시된다.Disclosed herein are nanoscale field effect transistors and methods of making and using the same.

일반적인 그래핀 전계 효과 트랜지스터Typical graphene field effect transistor

그래핀은 현저한 기계적 저항을 가지며; 이는 대략 단일층 또는 이중층의 두께가 그 주요 전기적 특성을 잃지 않고 실질적인 기계적 응력을 받을 수 있게 한다. 이러한 기계적 강도는 그래핀을 인듐 주석 산화물(ITO)이 주도하는 현재 세대의 투명한 도전성 산화물(TCO)을 대체할 수 있는 이상적인 후보로 만든다. 그래핀과 달리, ITO는 부서지기 쉽고 기계적 응력에 민감하지만; 낮은 시트 저항과 높은 투명도는 높은 재료비를 상쇄하기에 충분하다. 한편, 큰 면적 및 낮은 시트 저항 그래핀 시트의 제조는 화학 기상 퇴적(CVD)을 사용하는 비교적 간단하고 확장 가능한 프로세스이며, 90% 초과의 투명도를 갖는 약간의 원자층과 적절한 처리 후 100 미만의 시트 저항을 산출한다.Graphene has remarkable mechanical resistance; This allows approximately the thickness of a single or double layer to be subjected to substantial mechanical stress without losing its main electrical properties. This mechanical strength makes graphene an ideal candidate to replace the current generation of transparent conducting oxides (TCOs), led by indium tin oxide (ITO). Unlike graphene, ITO is brittle and sensitive to mechanical stress; The low sheet resistance and high transparency are enough to offset the high material costs. Meanwhile, the fabrication of large-area and low-sheet-resistance graphene sheets is a relatively simple and scalable process using chemical vapor deposition (CVD), with a few atomic layers with transparency greater than 90% and less than 100 sheets after appropriate processing. Calculate resistance.

도 1a에 도시된 바와 같이, 그래핀 FET는 일반적으로 SiO2 층으로 덮인 Si 웨이퍼 상에 제조되며, 그래핀은 트랜지스터 채널을 형성한다. 그래핀 트랜지스터는 3개의 단자, 즉, 그래핀 채널과 접촉하는 소스 및 드레인 금속 전극과 도핑된 Si 기판에 의해 인에이블된 글로벌 백 게이트로 구성된다. 이러한 피쳐는 Grat-FET에서 그래핀의 특징적인 양극성 수송 거동을 촉진하여, 기판에서 적절한 게이트 전압으로 바이어싱될 때, n형 및 p형 수송 모두를 달성한다. 본원에 그 전체가 참조로 통합되는, 예를 들어, 국제 특허 공개 WO2015/164,552호에 개시된 정보를 포함하는 임의의 적용 가능한 방법이 GFET를 제조하기 위해 적용될 수 있다.As shown in Figure 1A, graphene FETs are typically fabricated on a Si wafer covered with a SiO2 layer, with the graphene forming the transistor channel. The graphene transistor consists of three terminals: source and drain metal electrodes in contact with the graphene channel and a global back gate enabled by a doped Si substrate. These features promote the characteristic bipolar transport behavior of graphene in Grat-FETs, achieving both n-type and p-type transport when biased with an appropriate gate voltage at the substrate. Any applicable method can be applied to fabricate the GFET, including, for example, the information disclosed in International Patent Publication No. WO2015/164,552, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

도 1b는 게이트 전압에 의해 제어되는 소스와 드레인 사이의 전류를 나타낸다. 게이트 전압의 방향 및 크기를 변화시킴으로써, 결과적인 전류 흐름 곡선은 소스 및 드레인을 "V" 형태로 취한다. V 형태의 곡선의 선단 부분에서, 게이트 전압의 작은 변화는 채널 전류(IDS)에서 상당하고 검출 가능한 변화로 귀결되며, V 형태의 곡선의 2개의 단부에서 안정화되는 경향이 있다.Figure 1b shows the current between source and drain controlled by the gate voltage. By changing the direction and magnitude of the gate voltage, the resulting current flow curve takes the source and drain "V" shape. At the leading edge of the V-shaped curve, small changes in gate voltage result in significant and detectable changes in the channel current (I DS ), which tends to stabilize at the two ends of the V-shaped curve.

게이트 없는 전계 효과 트랜지스터Gateless field-effect transistor

일 양태에서, 물리적 게이트를 갖지 않는 새로운 유형의 전계 효과 트랜지스터(FET)가 본원에 개시된다.In one aspect, disclosed herein is a new type of field effect transistor (FET) that does not have a physical gate.

도 2a 내지 도 2d는 물리적 게이트를 갖지 않는 FET의 다양한 실시예를 도시한다. 도 2a는 기판(1), 소스 전극(2), 드레인 전극(3), 수용체(4), 그래핀층(5) 및 백 폴리머(6)를 포함하는 예시적인 그래핀 기반 FET(210)를 도시한다. 본원에 개시된 바와 같이, 기판은 폴리아미드, PET, PDMS, PMMA, 다른 플라스틱, 이산화 규소, 실리콘, 유리, 산화 알루미늄, 사파이어, 게르마늄, 비화 갈륨, 인화 인듐, 실리콘과 게르마늄의 합금, 직물, 섬유, 실크, 종이, 셀룰로오스 기반 재료, 절연체, 금속, 반도체일 수 있으며, 강성일 수 있거나, 유연할 수 있거나 그 임의의 조합일 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(1)은 실리콘 카바이드 기판일 수 있고, 그래핀층(5)이 실리콘 카바이드 기판(도 2b)으로부터 실리콘의 승화에 의해 직접적으로 실리콘 카바이드 기판 상에 에피택셜 성장될 수 있다.2A-2D show various embodiments of a FET without a physical gate. 2A shows an exemplary graphene-based FET 210 comprising a substrate 1, source electrode 2, drain electrode 3, acceptor 4, graphene layer 5, and back polymer 6. do. As disclosed herein, the substrate may be polyamide, PET, PDMS, PMMA, other plastics, silicon dioxide, silicon, glass, aluminum oxide, sapphire, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, alloys of silicon and germanium, fabrics, fibers, It may be silk, paper, cellulose-based material, insulator, metal, semiconductor, and may be rigid, flexible, or any combination thereof. In some embodiments, the substrate 1 may be a silicon carbide substrate, and the graphene layer 5 may be epitaxially grown directly on the silicon carbide substrate by sublimation of silicon from the silicon carbide substrate (FIG. 2B).

소스 전극(2)은 다수 캐리어가 전극 간 도전성 채널로 흐르는 전계 효과 트랜지스터 내의 전극 영역이다. 소스 전극으로서 사용될 수 있는 예시적인 재료는 은, 금, 탄소, 그래파이트 잉크, 도전성 직물, 도전성 섬유, 금속, 도전성 재료, 도전성 폴리머, 도전성 겔, 이온 겔, 도전성 잉크, 비금속 도전성 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.Source electrode 2 is an electrode region in a field effect transistor through which majority carriers flow into the inter-electrode conductive channel. Exemplary materials that can be used as the source electrode include, but are not limited to, silver, gold, carbon, graphite ink, conductive fabric, conductive fiber, metal, conductive material, conductive polymer, conductive gel, ion gel, conductive ink, non-metallic conductive material. It doesn't work.

드레인 전극(3)은 소스 전극(2)과 대향하는 측 상의 전극이다. 소스 전극으로서 사용될 수 있는 예시적인 재료는 은, 금, 탄소, 그래파이트 잉크, 도전성 직물, 도전성 섬유, 금속, 도전성 재료, 도전성 폴리머, 도전성 겔, 이온 겔, 도전성 잉크, 비금속 도전성 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.The drain electrode 3 is an electrode on the side opposite to the source electrode 2. Exemplary materials that can be used as the source electrode include, but are not limited to, silver, gold, carbon, graphite ink, conductive fabric, conductive fiber, metal, conductive material, conductive polymer, conductive gel, ion gel, conductive ink, non-metallic conductive material. It doesn't work.

일부 실시예에서, 그래핀층(5)은 균일한 두께, 바람직하게는 하나 이상의 그래핀 단일층의 미리 정해진 두께를 가질 수 있다. 두께가 전기적 특성, 예를 들어, 밴드 갭, 캐리어 농도 등에 영향을 미치기 때문에 균일하고, 바람직하게 미리 정해진 두께는 감지 특성의 제어를 제공하고, 개별 센서 사이의 낮은 변동성을 갖는 재생 가능한 디바이스의 형성을 가능하게 한다.In some embodiments, the graphene layer 5 may have a uniform thickness, preferably a predetermined thickness of one or more graphene monolayers. Since thickness affects electrical properties, e.g. band gap, carrier concentration, etc., a uniform, preferably predetermined thickness provides control of the sensing properties and allows for the formation of reproducible devices with low variability between individual sensors. Make it possible.

일부 실시예에서, 그래핀층(5)은 에피택셜층일 수 있고, 그래핀층 기판은 그래핀층이 에피택셜 성장된 기판일 수 있다. 그래핀층을 성장 기판 상에 유지시킴으로써, 통상적으로 나노 단위의 얇은 그래핀층 및 구조를 취급할 필요가 없다. 또한, 그래핀층이 기판 상에 남을 수 있는 경우, 트랜지스터의 제조 동안 얇은 그래핀층을 손상시킬 위험이 감소된다.In some embodiments, the graphene layer 5 may be an epitaxial layer, and the graphene layer substrate may be a substrate on which the graphene layer is epitaxially grown. By maintaining the graphene layer on the growth substrate, there is no need to typically handle nanoscale thin graphene layers and structures. Additionally, if the graphene layer can remain on the substrate, the risk of damaging the thin graphene layer during fabrication of the transistor is reduced.

일부 실시예에서, 그래핀층(5)은, 선택된 유형의 피분석물만이 그래핀층에 의해 검출되도록, 선택성을 위해 수용체(4)로 표면 처리될 수 있다. 예시적인 수용체(4)는 피렌 붕산(PBA), N- 하이드록시숙신이미드 에스테르(Pyrene-NHS), 유기 화학물, 방향족 분자, 환형 분자, 효소, 단백질, 항체, 바이러스, 단일 가닥 DNA(ssDNA), 압타머(aptamer), 무기 재료, 합성 분자, 생물학적 분자를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.In some embodiments, the graphene layer 5 may be surface treated with a receptor 4 for selectivity such that only selected types of analytes are detected by the graphene layer. Exemplary receptors (4) include pyrene boric 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 biological molecules, but are not limited thereto.

일부 실시예에서, 그래핀층(5) 및/또는 특정 유형의 화학물이 화학적으로 민감한 채널에 도달하는 것이 방지된다. 표면 처리는 금속 입자 및/또는 폴리머의 퇴적을 포함할 수 있다.In some embodiments, graphene layer 5 and/or certain types of chemicals are prevented from reaching chemically sensitive channels. Surface treatment may include deposition of metal particles and/or polymers.

백 폴리머(6)는 그래핀에 기계적 지지체를 제공하기 위해 사용된다. 그리고, 도핑되면, 감지 반응에 새로운 양상을 추가할 수 있다. 예를 들어, 백 폴리머는 특정 타겟에 또한 결합할 수 있고, 트랜지스터 채널의 저항 변화에 기여할 수 있는 생체 분자로 도핑될 수 있다.Back polymer 6 is used to provide mechanical support to the graphene. And, when doped, they can add new aspects to the sensing response. For example, the back polymer can be doped with biomolecules that can also bind to specific targets and contribute to changes in the resistance of the transistor channel.

디바이스(220, 230 및 240)는 디바이스(210)의 변형이다. 디바이스(220)에서, 백 폴리머층(6)은 생략된다. 디바이스(230)에서, 수용체층(4)은 생략된다. 디바이스(240)에서, 백 폴리머층(6) 및 수용체층(4) 모두가 생략된다.Devices 220, 230, and 240 are variations of device 210. In device 220, back polymer layer 6 is omitted. In device 230, receptor layer 4 is omitted. In device 240, both back polymer layer 6 and receptor layer 4 are omitted.

본원에 개시된 바와 같이, 디바이스 또는 베이스 디바이스는 디바이스(210, 220, 230 및 240) 중 임의의 것일 수 있다.As disclosed herein, the device or base device may be any of devices 210, 220, 230, and 240.

극성 유체 게이트 단자(PFGT)Polarized fluid gate terminal (PFGT)

그래핀은 한 원자가 각 정점을 형성하는 2차원, 원자 스케일, 육각형 격자 형태의 탄소의 동소체이다. 이는 그래파이트, 목탄, 탄소 나노튜브 및 풀러린을 포함하는 다른 동소체의 기본 구조 요소이다. 이는 무한히 큰 방향족 분자, 편평한 다환 방향족 탄화수소 계열의 궁극적인 경우로 고려될 수 있다. 일부 실시예에서, 그래핀은 탄소 원자의 단일층이다. 그래핀의 각 탄소 원자는 4개의 전자를 갖는다. 이 전자 3개를 통해 탄소 원자는 3개의 가장 인접하게 이웃하는 탄소 원자에 결합하여 육각형 격자를 형성한다. 각각의 원자에 대해, 제4 전자는 전체 그래핀층에서 비국부화되며, 이는 전자 전류의 도전을 허용한다.Graphene is an allotrope of carbon in the form of a two-dimensional, atomic-scale, hexagonal lattice with one atom forming each vertex. It is the basic structural element of graphite, charcoal, carbon nanotubes, and other allotropes, including fullerenes. This can be considered the ultimate case of infinitely large aromatic molecules, a family of flat polycyclic aromatic hydrocarbons. In some embodiments, graphene is a single layer of carbon atoms. Each carbon atom in graphene has 4 electrons. Through these three electrons, the carbon atom bonds to its three closest neighboring carbon atoms, forming a hexagonal lattice. For each atom, a fourth electron is delocalized in the entire graphene layer, allowing conduction of electronic current.

극성 유체가 그래핀층 상에 퇴적될 때, 그래핀의 특수 전자 특성은 극성 유체에서 전하의 재구성을 일으키고, 소스 및 드레인 전극 사이의 전류를 조절할 수 있는 액체 유도된 게이트 전압을 형성할 것이다.When a polar fluid is deposited on a graphene layer, graphene's special electronic properties will cause a reorganization of charges in the polar fluid and form a liquid-induced gate voltage that can regulate the current between the source and drain electrodes.

도 3a는 극성 유체가 움직이지 않는 극성 유체 게이트 단자를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 극성 또는 이온 성분의 전하가 극성 유체에서 재분산되어 극성 유체 게이트 단자(PFGT) 및 유도 유체 게이트 전압(VFG)을 생성한다. 이 전압은 V 형태 전류 대 유체 게이트 전압 곡선에서 x축(전압)에서의 시프트로 귀결될 수 있다. 언급된 바와 같이, V 형태 곡선의 선단에서, 게이트 전압의 작은 변화는 채널 전류(IDS)의 상당하고 검출 가능한 변화로 귀결될 수 있으며, V 형태 곡선의 2개의 단부에서 안정화되는 경향이 있다. V 형태 곡선의 선단으로의 시프트는 향상된 감도로 이어질 수 있으며: 전류 변화에 응답하여 전압의 매우 작은 변화가 검출될 수 있다. 마찬가지로, 전압 변화에 응답하여 전류의 매우 작은 변화가 또한 검출될 수 있다.3A shows an exemplary embodiment representing a polarized fluid gate terminal in which the polarized fluid is stationary. As shown, polar or ionic charges are redistributed in the polar fluid to create a polar fluid gate terminal (PFGT) and an induced fluid gate voltage (V FG ). This voltage can result in a shift in the x-axis (voltage) in the V-shaped current versus fluid gate voltage curve. As mentioned, at the leading edge of the V-shaped curve, small changes in gate voltage can result in significant and detectable changes in the channel current (I DS ), which tends to stabilize at the two ends of the V-shaped curve. A shift to the tip of the V-shaped curve can lead to improved sensitivity: very small changes in voltage can be detected in response to changes in current. Likewise, very small changes in current can also be detected in response to voltage changes.

상술한 바와 같이, V 형태 곡선의 선단을 향하는 시프트는 보다 양호한 감도를 이끌 수 있다. 이러한 시프트는 극성 유체 유도된 게이트 전압에 의해 야기될 수 있다. 일부 실시예에서, 극성 유체 유도된 게이트 전압은 극성 유체 내의 하전 입자의 농도와 연관된다. 일부 실시예에서, 농도는 모든 음으로 하전된 입자 또는 모든 양으로 하전된 입자의 총량을 반영할 수 있다. V 형태 곡선의 시프트는 광범위한 하전 입자 농도와 상관할 수 있다. 일부 실시예에서, 시프트는 1 펨토(femto) g/L만큼 낮은 하전 입자(예를 들어, NaCl) 농도와 상관된다. 일부 실시예에서, 시프트는 300 g/L만큼 높은 하전 입자(예를 들어, NaCl) 농도와 상관된다. 그 결과, 전류 감지 시스템이 탄력적이며, 광범위한 전하 농도를 허용할 수 있음을 제시한다.As mentioned above, a shift toward the tip of the V-shaped curve can lead to better sensitivity. This shift can be caused by a polarized fluid induced gate voltage. In some embodiments, the polar fluid induced gate voltage is related to the concentration of charged particles in the polar fluid. In some embodiments, the concentration may reflect the total amount of all negatively charged particles or all positively charged particles. The shift of the V-shaped curve can be correlated to a wide range of charged particle concentrations. In some embodiments, the shift is correlated to charged particle (e.g., NaCl) concentrations as low as 1 femto g/L. In some embodiments, the shift is correlated with charged particle (e.g., NaCl) concentrations as high as 300 g/L. The results suggest that the current sensing system is resilient and can tolerate a wide range of charge concentrations.

도 3b는 극성 유체가 제1 방향으로 흐르는 극성 유체 게이트 단자를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 게이트 전위(VFG)의 크기는 극성 유체의 유속에 직접 비례할 것이다. VFG의 부호 또는 방향은, 예를 들어, 소스 드레인 단자를 따라 그리고 소스 드레인 단자 양단에서, 극성 유체의 흐름 방향에 따를 것이다. 예를 들어, 게이트 전압이 소스 드레인 방향을 따라 양(positive)이면, 반대 방향으로 음이 될 것이며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 극성 유체가 소스 드레인 전압 양단에서 흐르는 경우, 게이트 전압이 Y 방향을 따라 양이면, -Y 방향으로는 음일 것이며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 극성 유체의 방향이 변하면, 게이트 전압의 방향 또한 변할 것이다.3B shows an exemplary embodiment showing a polarized fluid gate terminal with polarized fluid flowing in a first direction. The magnitude of the gate potential (V FG ) will be directly proportional to the flow rate of the polar fluid. The sign or direction of V FG will depend on the direction of flow of the polarized fluid, for example along and across the source drain terminal. For example, if the gate voltage is positive along the source-drain direction, it will be negative in the opposite direction, and vice versa. If a polar fluid flows across the source-drain voltage, if the gate voltage is positive along the Y direction, it will be negative along the -Y direction, and vice versa. If the direction of the polar fluid changes, the direction of the gate voltage will also change.

도 3c는 극성 유체가 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르는 극성 유체 게이트 단자를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다.FIG. 3C shows an example embodiment showing a polarized fluid gate terminal with polarized fluid flowing in a second direction opposite to the first direction.

극성 유체 게이트 단자에서 게이트 전압 검출Gate voltage detection at polarized fluid gate terminal

도 4a 내지 도 4c는 극성 유체 게이트 단자(PFGT)에서 게이트 전압이 결정되는 셋업을 나타낸다.4A-4C illustrate a setup in which the gate voltage is determined at the polarized fluid gate terminal (PFGT).

도 4a는 유전체층(7) 및 게이트 금속(8)을 갖는 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서, 베이스 디바이스는 도면 부호 210, 220, 230 및 240과 같은 도 2a 내지 도 2d에 도시된 임의의 디바이스일 수 있다. 게이트 전위는 게이트 금속과 전위 사이에서 측정된다. 유전체층(7)은 베이스 디바이스의 기판(예를 들어, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 기판(1)) 아래에 추가된다. 게이트 금속(8)은 유전체층(7) 아래에 추가된다. 게이트 금속(8)은 유도된 게이트 전압을 측정하기 위해서만 추가되고, 전압이 게이트 금속(8)을 통해 인가되지는 않을 것이다. 일부 실시예에서, Vg1은 PFGT 디바이스 특성 및 채널 유형에 따라 비선형 방식으로 변할 수 있다. 예를 들어, 채널이 그래핀(양극성(ambipolar))인 경우, Vg1은 그래핀 디바이스에 통상적인 트랜스컨덕턴스 응답을 따를 수 있다.Figure 4a shows an exemplary embodiment representing a base device with a dielectric layer (7) and a gate metal (8). Here, the base device may be any device shown in FIGS. 2A to 2D, such as reference numerals 210, 220, 230, and 240. Gate potential is measured between the gate metal and the electric potential. A dielectric layer 7 is added beneath the substrate of the base device (e.g., substrate 1 shown in FIGS. 2A-2D). Gate metal (8) is added beneath the dielectric layer (7). Gate metal 8 is added only to measure the induced gate voltage; no voltage will be applied through gate metal 8. In some embodiments, Vg1 may vary in a non-linear manner depending on PFGT device characteristics and channel type. For example, if the channel is graphene (ambipolar), Vg1 may follow the transconductance response typical for graphene devices.

도 4b는 PFGT 내에 추가된 금속 전극을 갖는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 게이트 전위는 금속 전극과 접지 사이에서 측정된다. Vg2는 추가된 금속 전극과 활성 채널 사이의 이중층 커패시턴스에 의해 형성된 톱(top) 게이트 전압이다. Vg2는 PFGT 디바이스 특성 및 채널 유형에 따라 비선형 방식으로 변할 수 있다. 예를 들어, 채널이 그래핀(양극성)인 경우, Vg2는 그래핀 디바이스에 통상적인 트랜스컨덕턴스 응답을 따를 것이다(예를 들어, 도 23 참조).Figure 4B shows an example embodiment representing the base device shown in Figures 2A-2D with a metal electrode added within the PFGT. Gate potential is measured between a 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 in a non-linear manner depending on PFGT device characteristics and channel type. For example, if the channel is graphene (bipolar), Vg2 will follow the transconductance response typical for graphene devices (see, for example, Figure 23).

도 4c는 PFGT 내의 유전체와 게이트 금속 및 금속 전극으로 보강된 도 2a 내지 도 2d에 도시된 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 표시된 바와 같이, 2개의 게이트 전위가 측정된다. 2개의 게이트 전위(Vg1 및 Vg2)는 소스 드레인 전류/전압 및 유도된 PFG를 사용하여 조절되는 전기적 출력이다. Vg1과 Vg2의 동시 측정은 차세대 마이크로프로세서, 논리 게이트, 계산 회로, 무선 주파수(RF) 디바이스, 센서 등을 개발하는 데 사용할 수 있는 3중 게이트 구조를 생성한다.FIG. 4C shows an exemplary embodiment representing the base device shown in FIGS. 2A-2D reinforced with a gate metal and metal electrode and dielectric in the PFGT. As indicated, two gate potentials are measured. The two gate potentials (Vg1 and Vg2) are electrical output regulated using the source-drain current/voltage and the induced PFG. Simultaneous measurement of Vg1 and Vg2 creates a triple-gate structure that can be used to develop next-generation microprocessors, logic gates, computational circuits, radio frequency (RF) devices, sensors, and more.

도 4c는 PFGT 내의 유전체와 게이트 금속 및 금속 전극으로 보강된 도 2a 내지 도 2d에 도시된 베이스 디바이스를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 2개의 게이트 전압(예를 들어, Vg1 및 Vg2)이 PFGT에 공급되어, 원하는 어플리케이션을 위해 PFGT 디바이스의 전체적인 전기적 특성을 조절한다. Vg1 및 Vg2에 의한 동시 조절은 최소 에너지를 사용하여 보다 제어되는 방식으로 원하는 전기적 성능으로 디바이스 동작을 시프트시키는 데 사용할 수 있는 3중 게이트 구조를 생성한다. 이러한 디바이스는 차세대 마이크로프로세서, 논리 게이트, 계산 회로, 무선 주파수(RF) 디바이스, 센서 등을 개발하는 데 이용될 수 있다.FIG. 4C shows an exemplary embodiment representing the base device shown in FIGS. 2A-2D reinforced with a gate metal and metal electrode and dielectric in the PFGT. Two gate voltages (e.g., Vg1 and Vg2) are supplied to the PFGT to adjust the overall electrical characteristics of the PFGT device for the desired application. Simultaneous regulation by Vg1 and Vg2 creates a triple gate structure that can be used to shift device operation to the desired electrical performance in a more controlled manner using minimal energy. These devices can be used to develop next-generation microprocessors, logic gates, computational circuits, radio frequency (RF) devices, sensors, and more.

도 5a는 극성 유체 그래핀 전계 효과 트랜지스터(PFGFET)를 통한 센서 판독을 위해 사용되는 회로를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 도 5a에서, 정전류(IC)가 PFGFET에 공급된다. 출력 전압(VOUT)은 분배기 및 전류 제한 저항(R)을 사용하여 PFGFET에 걸쳐 판독된다. 그러면 전압 출력은 감지되는 피분석물의 농도에 대해 교정된다.FIG. 5A shows an exemplary embodiment representing a circuit used for sensor readout via a polarized fluid graphene field effect transistor (PFGFET). In Figure 5a, a constant current ( IC ) is supplied to the PFGFET. The output voltage (V OUT ) is read across the PFGFET using a divider and current limiting resistor (R). The voltage output is then corrected for the concentration of the analyte being sensed.

도 5b는 PFGFET을 통한 센서 판독을 위해 사용되는 다른 회로를 나타내는 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서, PFGFET에는 정전압(Vs)이 공급된다. 전류 또는 충전체(ΙOUT)는 전류 제한 저항(R)을 사용하여 PFGFET로부터 판독된다. 그 후, 전류 출력은 감지되는 피분석물의 농도에 대해 조정된다.Figure 5b shows an example embodiment illustrating another circuit used for sensor readout through a PFGFET. Here, a constant voltage (Vs) is supplied to the PFGFET. Current or charge (Ι OUT ) is read from the PFGFET using a current limiting resistor (R). The current output is then adjusted to the concentration of analyte being sensed.

본 발명을 상세히 설명하였지만, 첨부된 청구항들에서 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정, 변형 및 등가의 실시예가 가능하다는 것이 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 모든 예가 비한정적인 예로서 제공되는 것을 이해해야 한다.Although the invention has been described in detail, it will be apparent that modifications, variations and equivalent embodiments are possible without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Additionally, it should be understood that all examples of the invention are provided by way of non-limiting example.

예들examples

후술하는 비한정적인 예는 본원에 개시된 본 발명의 실시예를 추가로 나타내기 위해 제공된다. 후술하는 예에 개시된 기술은 본 발명의 실시에서 잘 기능하는 것으로 밝혀진 접근법을 나타내므로, 그 실시를 위한 모드의 예를 구성하는 것으로 고려될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해되어야 한다. 그러나, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명에 비추어, 개시된 특정 실시예에서 많은 변화가 이루어질 수 있고, 여전히 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 비슷하거나 유사한 결과를 얻을 수 있음을 이해해야 한다.The non-limiting examples described below are provided to further illustrate embodiments of the invention disclosed herein. It should be understood by those skilled in the art that the techniques disclosed in the examples that follow represent approaches that have been found to function well in the practice of the invention, and therefore may be considered as constituting examples of modes for its practice. However, those skilled in the art should understand that, in light of the present invention, many changes may be made in the specific embodiments disclosed and still obtain similar or comparable results without departing from the spirit and scope of the present invention.

예 1Example 1

나노스케일 전계 효과 트랜지스터의 실험 조건Experimental conditions for nanoscale field-effect transistors

디바이스는 물리적 게이트 단자가 없는 2 단자 NFET의 캐리어 채널로서 그래핀으로 제조되었다.The device was fabricated with graphene as the carrier channel of a two-terminal NFET without a physical gate terminal.

폴리머는 일반적으로 0.5 mm 미만의 두께를 갖는 그래핀 상에 배치되고, 이는 그 후 그래핀이 성장되었던 촉매 기판로부터 분리된다. 감지 시스템에 대한 유연한 폴리머 플랫폼이 그래핀 폴리머 복합체와 2개의 금속 전기 접촉부를 스테이징하는 데 사용되었다. 그래핀 폴리머 복합체가 유연한 폴리머 플랫폼에 결합되었다. 원하는 링커(linker) 분자의 용액이 그래핀 폴리머 복합체에 퇴적되어 배양된다. 과잉 링커 분자 용액이 그래핀 폴리머 복합체로부터 제거되었고; 2개의 금속 전기 접촉부가 그래핀 폴리머 복합체의 양쪽 에지 상에 퇴적되었다.The polymer is placed on graphene, which typically has a thickness of less than 0.5 mm, which is then separated from the catalyst substrate on which the graphene was grown. A flexible polymer platform for the sensing system was used to stage a graphene polymer composite and two metal electrical contacts. Graphene polymer composites were incorporated into a flexible polymer platform. A solution of the desired linker molecule is deposited on the graphene polymer composite and cultured. 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.

그 후, 그래핀 폴리머 착체가 테플론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 기판 상에 놓여진 다음, 80-150 ℃에서 1-10분 동안 가열하여 임의의 불순물을 제거하였다.Afterwards, the graphene polymer complex was placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide, etc., and then heated at 80-150 °C for 1-10 minutes to remove any impurities.

그 후, GFET 센서를 사용할 준비가 되었다. 일부 경우에, 특정 피분석물에 대한 수용체가 그래핀층에 퇴적되었다.After that, the GFET sensor is ready to use. In some cases, receptors for specific analytes were deposited in the graphene layer.

땀을 통한 피분석물 감지용 센서 시스템에 있어서, 센서는:In a sensor system for detecting an analyte through sweat, the sensor:

o (캡톤(kapton))으로 이루어진 유연한 폴리머 플랫폼;o Flexible polymer platform consisting of (kapton);

o 유연한 폴리머 플랫폼에 결합된 그래핀 폴리머 복합체;o Graphene polymer composite bonded to a flexible polymer platform;

o 유연한 폴리머 플랫폼에 또한 결합된 그래핀 폴리머 복합체의 층의 대향하는 에지 상의 센서 구성에 위치된 소스 전극 및 드레인 전극;o a source electrode and a drain electrode positioned in the sensor configuration on opposing edges of a layer of graphene polymer composite also bonded to a flexible polymer platform;

o 도전성 금속으로 구성된 각각의 소스 및 드레인 전극;o Each source and drain electrode composed of a conductive metal;

o 2개의 전극 사이에서 원하는 피분석물 생체 감지를 위한 링커 분자로 기능화된 그래핀 폴리머 복합체층; 및o A layer of graphene polymer composite functionalized with linker molecules for biosensing of the desired analyte between two electrodes; and

o 분석될 깨끗한 땀의 소스에 매우 근접되게 유지된 센서 시스템.o Sensor system held in close proximity to the source of clean sweat to be analyzed.

땀을 통해 피분석물 농도를 결정하는 방법은 이하 단계를 포함한다:The method for determining analyte concentration through sweat includes the following steps:

o 도전 채널을 갖는 기능화된 그래핀 폴리머 복합체 센서에 일정한 바이어스 전압을 인가하는 단계;o Applying a constant bias voltage to the functionalized graphene polymer composite sensor having a conductive channel;

o 센서 양단에서 제1 소스-드레인 전압을 측정하는 단계;o measuring a first source-drain voltage across the sensor;

o 도전 채널을 땀의 소스에 매우 근접하게 가져와서 깨끗한 땀에 도전 채널을 노출시키는 단계;o exposing the conduction channel to clean sweat by bringing the conduction channel very close to the source of sweat;

o 피분석물이 전자를 링커를 통해 채널로 방출시켜 링커 분자에 결합하며, 이는 채널 양단의 전위 변화로 귀결되는 단계;o The analyte binds to the linker molecule by releasing electrons into the channel through the linker, which results in a change in potential at both ends of the channel;

o 센서 양단의 제2 소스-드레인 전압을 측정하는 단계;o measuring a second source-drain voltage across the sensor;

o 제1 소스-드레인 전압과 제2 소스-드레인 전압 사이의 부분적인 변화에 기초하여 피분석물의 농도를 결정하는 단계.o Determining the concentration of the analyte based on the fractional change between the first source-drain voltage and the second source-drain voltage.

분석 동안, 고정된 전류 또는 전압이 센서를 통과하였다. GFET 센서의 전기적 응답은 네거티브 제어로서 탈이온(DI) 수에서 피분석물을 사용하여 극성 용액의 피분석물에 대해 기록되었다. 기능화된 GFET에서의 DI 수 응답이 또한 측정되었다. 피분석물은 NaCl, D-글루코스 및 유산을 포함하였다.During analysis, a fixed current or voltage is passed through the sensor. The electrical response of the GFET sensor was recorded for the analyte in polar solution, using the analyte in deionized (DI) water as a negative control. The DI water response in the functionalized GFET was also measured. Analytes included NaCl, D-glucose, and lactic acid.

예 2Example 2

NaCl 샘플의 분석Analysis of NaCl samples

이들 예에서, 고정된 전류 또는 전압이 GFET을 통과하였다. GFET 센서의 전기적 응답은 DI 수 중에서의 NaCl 농도 또는 기능화된 GFET에서의 DI 수 반응에 대하여 기록되었다.In these examples, a fixed current or voltage was passed through the GFET. The electrical response of the GFET sensor was recorded against the NaCl concentration in DI water or the DI water response in the functionalized GFET.

선택도: DI 수 중의 다양한 NaCl 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어 NaCl에 대한 센서의 감도를 연구하였다. DI 수에서, 0에서 1 g/L 범위의 다양한 NaCl 농도의 용액을 준비하였다. 이 테스트는 GFET에 2ul의 최저 농도를 도입함으로써 시작되고, 그 후 3분 후에 더 높은 농도를 가하는 등이며; 예를 들어, 도 6에 나타내어진 예에서는 0.05 g/L에서 0.1 g/L로 진행한다. 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 계속되었다. Selectivity : The response of various NaCl concentrations in DI water was measured on the GFET to study the sensitivity of the sensor to NaCl. Solutions of various NaCl concentrations ranging from 0 to 1 g/L were prepared in DI water. The test begins by introducing 2 μl of the lowest concentration into the GFET, followed by a higher concentration 3 minutes later, and so on; For example, in the example shown in Figure 6, it goes from 0.05 g/L to 0.1 g/L. This continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 6은 GFET가 단지 DI 수에 상당한 반응을 나타내지 않으며, DI 수에서 NaCl 농도를 증가시키는 선형 반응을 나타낸다는 것을 보여준다. 증가하는 농도는 채널 양단의 전압을 변화시켰고, 이로써 제어로서 DI 수 중의 NaCl에 대한 높은 선택도를 보였다.Figure 6 shows that the GFET does not show a significant response to just DI water, but shows a linear response to increasing NaCl concentration in DI water. Increasing concentration varied the voltage across the channel, resulting in high selectivity for NaCl in DI water as a control.

감도: DI 수 중의 다양한 NaCl 농도의 반응이 또한 GFET 상에서 측정되어 NaCl을 향한 센서의 감도 범위를 연구하였다. DI 수에서 0.1 mg/dl에서 10 mg/dL까지의 범위로 지수적으로 증가하는 NaCl 농도를 갖는 용액이 준비되었다. 테스트는 GFET 상에 2ul의 최저 농도를 도입한 다음, 3분 후에 다음으로 높은 농도를 가하는 등으로 시작되었다. 여기서, 농도는 대수적으로 증가했으며, 예를 들어, 0.1 ng/dl에서 1 ng/dl로, 그 후 10 ng/dl로, 그 후 0.1 ug/dl 등으로 증가했다. 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 계속되었다. Sensitivity : The response of different NaCl concentrations in DI water was also measured on the GFET to study the range of sensitivity of the sensor towards NaCl. Solutions with exponentially increasing NaCl concentrations ranging from 0.1 mg/dl to 10 mg/dl in DI water were prepared. The test began by introducing 2ul of the lowest concentration onto the GFET, then applying the next higher concentration 3 minutes later, and so on. Here, the concentration increased logarithmically, for example, from 0.1 ng/dl to 1 ng/dl, then to 10 ng/dl, then to 0.1 ug/dl, etc. This continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 7은 GFET가 단지 DI 수에 상당한 반응을 나타내지 않았고, DI 수에서 NaCl의 최저 농도에서 최고 농도로 시작하는 지수 반응을 나타낸다는 것을 보여준다. 증가하는 농도는 채널 양단의 전압을 변화시켰으며, 이로써 제어로서 DI 수 내 NaCl에 대해 약 250 펨토그램/리터의 고감도를 보였다.Figure 7 shows that the GFET only showed no significant response to DI water, showing an exponential response starting from the lowest to the highest concentration of NaCl in DI water. Increasing concentrations varied the voltage across the channel, resulting in high sensitivity of approximately 250 femtograms/liter for NaCl in DI water as a control.

땀에서의 염화물 반응: 인간의 땀의 염화물 농도의 측정이 인간 피험자로 수행되었다. 테스트는 피험자에게 달리기, 때때로 수분 공급을 위한 물 섭취와 같은 신체 활동을 수행하도록 요구했다. Chloride response in sweat : Measurements of chloride concentration in human sweat were performed on human subjects. The test required subjects to perform physical activities such as running and occasionally drinking water for hydration.

GFET는 인간 피험자에 의해 팔뚝 및 아래 등(에크린(eccrine) 땀샘)에 착용되었다. 땀에서 염화물 농도로 인한 전기적 반응은 피험자가 (달리기와 같은) 강렬한 신체 활동을 수행하는 동안 지속적으로 (500 밀리초마다) 전송 및 기록되었다. 도 8에서 나타낸 바와 같이, 땀의 염화물 농도의 변화는 전압의 부분적 변화에 의해 관찰되어 나타내어진다.GFETs were worn on the forearms and lower back (eccrine glands) by human subjects. Electrical responses due to chloride concentration in sweat were transmitted and recorded continuously (every 500 milliseconds) while subjects performed intense physical activity (such as running). As shown in Figure 8, changes in sweat chloride concentration are observed and indicated by partial changes in voltage.

도 8은 피부에 부착된 PFGFET을 사용하는 2명의 인간 피험자의 땀 삼투압의 실시간 농도를 나타낸다. 땀에서의 삼투압 농도는 개인의 신체적 기능과 직접적으로 상관된다. 피험자 1은 단거리 선수이고 피험자 2는 조깅하는 사람이었다. 단거리 선수(피험자 1)는 조깅하는 사람(피험자 2 및 달리기 2)과 비교하여 더 빠른 페이스(달리기 1)로 동일한 거리를 달렸다. 보다 강렬한 피험자의 신체 활동, 더 높은 측정된 신체 삼투압 농도를 관찰하였다. 신체 삼투압의 피크는 가장 강렬한 신체 활동 기간 동안 관찰되었다. 또한 강렬한 신체 활동 기간 동안 신체 삼투압이 감소하는 것으로 관찰되었다. 이것은 피험자가 적절한 소금의 보충 없이 물을 너무 많이 섭취했을 때 발생했다. 이 데이터에서, 곡선의 기울기가 0이 되면, 저나트륨혈증을 나타낸다. 이 기간 동안 신체는 (이온 밸런스를 유지하기 위해) 가능한 많은 소금을 유지하려고 하므로, 전체적인 신체 삼투압의 농도가 매우 느리게 변한다.Figure 8 shows real-time concentration of sweat osmolarity of two human subjects using PFGFETs attached to the skin. Osmolality in sweat is directly correlated with an individual's physical function. Subject 1 was a sprinter and Subject 2 was a jogger. The sprinter (Subject 1) ran the same distance at a faster pace (Run 1) compared to the jogger (Subject 2 and Run 2). The more intense the subject's physical activity, the higher the measured body osmolarity was observed. Peaks in body osmolality were observed during periods of most intense physical activity. It has also been observed that body osmolality decreases during periods of intense physical activity. This occurred when subjects consumed too much water without adequate salt supplementation. In this data, when the slope of the curve is 0, it indicates hyponatremia. During this period, the body tries to retain as much salt as possible (to maintain ionic balance), so overall body osmolarity changes very slowly.

다음의 신규한 결과 및/또는 특징이 관찰되었다.The following novel results and/or characteristics were observed.

높은 선택도: PFGT에 의해 조절된 GFET(NFET)는 상이한 통제 유체에서 NaCl 농도에 대해 매우 선택적 반응(>97%)을 나타내었다. High selectivity : PFGT-modulated GFET (NFET) showed highly selective response (>97%) to NaCl concentration in different control fluids.

높은 감도: PBA로 기능화된 GFET는 250 펨토그램/리터의 검출 한계(LOD)를 갖는 NaCl에 대해 높은 감도를 나타내었다. GFET 센서는 높은 신호 대 잡음비를 가지며, 매우 선택적이며, 결합을 위한 높은 표면적으로 인해 표면과 분자 사이의 결합이 더 높다. 이러한 모든 요인은 GFET를 매우 민감하게 만드는 크게 차별화된 역할을 한다. High sensitivity : GFETs 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 selective, and have higher coupling between surfaces and molecules due to their high surface area for binding. All of these factors play a significant differentiating role in making GFETs very sensitive.

극성 분자로 인한 게이트 조절: 극성 유체(물, 소금 등)에서, 극성 분자(이온 등)가 NFET 상에 극성 유체 게이트 단자(PFGT)를 형성한다는 것이 관찰되었다. 그래핀 표면 부근의 극성 분자는 전하 전달을 위한 채널을 생성시키는 유전 효과를 유발했다. PFGT의 게이팅 강도는 유체 내의 극성 분자의 전하 및 농도 모두에 의존하였다. 이러한 제3 극성 유체 게이트 단자(PFGT)는 극성 유체에서 NaCl 농도로부터의 전기적 응답을 조절했다. Gate regulation due to polar molecules : In polar fluids (water, salt, etc.), it has been observed that polar molecules (ions, etc.) form a polar fluid gate terminal (PFGT) on the NFET. Polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect that created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and concentration of polar molecules in the fluid. This third polar fluid gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from the NaCl concentration in the polar fluid.

연속 모니터링: 유도된 극성 유체 게이트 단자로부터의 NFET 채널 전류의 조절로 인한 유체 내의 이온 농도가 연속적으로 측정되었다. 일단 이온 용액이 NFET의 표면에서 제거되면, 극성 유체 게이팅된 NFET의 전기적 반응이 기본 또는 초기 값으로 되돌아갔다. Continuous monitoring : The ion concentration in the fluid was continuously measured due to modulation of the NFET channel current from the induced polarity fluid gate terminal. Once the ionic solution was removed from the surface of the NFET, the electrical response of the polar fluid gated NFET returned to its baseline or initial value.

NFET 표면 위의 극성 유체의 유도 운동: NFET 표면과 극성 유체 사이의 증가된 소수성으로 인해, (DI 수 중의 NaCl과 같은) 극성 유체가 NFET 표면으로부터 즉시 반발하거나 이탈하려고 하는 것을 관찰하였다. 유체 내의 극성 분자(예를 들어, NaCl)의 농도가 높을수록, PFGT의 강도가 높아져서 반발 효과가 더 커진다. 이 반발 효과는 NFET 상의 NaCl 분자에 의한 PFGT로 인한 전기 응답의 조절과 결합되어 매우 민감하고 선택적이며 연속적인 모니터링 전해질 시스템을 가능하게 한다. Induced movement of polar fluids on the NFET surface : Due to the increased hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid, we observed that polar fluids (such as NaCl in DI water) immediately try to repel or escape from the NFET surface. The higher the concentration of polar molecules (e.g. NaCl) in the fluid, the higher the strength of the PFGT and thus the greater the repulsion effect. This repulsion effect, combined with the modulation of the electrical response due to PFGT by NaCl molecules on the NFET, enables a highly sensitive, selective, and continuously monitored electrolyte system.

인간의 땀에 대한 실시간 연속 염화물 모니터링: 예로서, GFET는 인간 피험자에 의해 팔뚝 및 아래 등(에크린 땀샘) 상에 착용되었다. 땀은 희석되고 초여과된(ultra-filtered) 혈액이다. 피험자가 a) 강렬한 신체 활동(운동) b) (사무실 책상에 앉고 식사를 하는 것과 같은) 강렬하지 않은 신체 활동을 수행하는 동안, 땀의 염화물 농도로 인한 전기적 반응이 연속적으로(500 밀리초마다) 송신 및 기록되었다. 땀(주로 NaCl)의 배경 이온 농도는 2개의 단자 GFET 디바이스 위에 PFGT를 형성한다는 것이 관찰되었다. CI- 이온으로 인한 GFET 상의 유도된 PFGT의 게이팅 강도의 변화는 인간의 땀에서 CI 이온 분자의 연속적인 비침습적 모니터링을 가능하게 했다. 땀은 매우 희석되고 초여과되므로, 염화물 농도를 연속적으로 측정하기에 매우 우수한 극성 유체인 것으로 관찰되었다. Real-time continuous chloride monitoring of human sweat : As an example, GFETs were worn on the forearm and lower back (eccrine sweat glands) by human subjects. Sweat is diluted, ultra-filtered blood. While a subject is performing a) intense physical activity (exercise) b) non-intense physical activity (such as sitting at an office desk and eating), electrical responses due to chloride concentration in sweat occur continuously (every 500 milliseconds). Sent and recorded. It was observed that background ion concentrations in sweat (mainly NaCl) formed PFGTs on the two-terminal GFET device. Changes in the gating strength of induced PFGT on GFET due to CI- ions enabled continuous non-invasive monitoring of CI ion molecules in human sweat. Sweat has been observed to be a very good polar fluid for continuous measurement of chloride concentration, as it is highly diluted and ultrafiltered.

예 3Example 3

D-글루코스 샘플의 분석Analysis of D-glucose samples

이들 실시예에서, 고정된 전류 또는 전압이 GFET을 통과하였다.In these examples, a fixed current or voltage is passed through the GFET.

GFET/PBA 센서의 전기적 응답은 다음에 대해 기록되었다:The electrical response of the GFET/PBA sensor was recorded for:

o DI 수 중의 D-글루코스 농도o D-glucose concentration in DI water

o 인공 땀(DI + NaCl + 유산) 중의 D-글루코스 농도o D-glucose concentration in artificial sweat (DI + NaCl + lactic acid)

o 기능화되지 않은 GFET 상의 DI 수 중의 D-글루코스 농도o D-glucose concentration in DI water on non-functionalized GFET

o 기능화된 디바이스 상의 DI 수 중의 락토오스 농도(대조 1)o Lactose concentration in DI water on the functionalized device (Control 1)

o 기능화된 디바이스의 인공 땀 농도(대조 2)o Artificial sweat concentration of the functionalized device (Control 2)

o 기능화된 GFET 상의 DI 수 반응o DI water response on functionalized GFETs

o 인간의 땀 글루코스 측정: 착용 가능한 GFET/PBA 센서를 사용하여 인간의 땀에서 글루코스 농도의 실시간 연속 모니터링이 수행되었다. 실시간으로 연속되는 땀 글루코스 반응은 상업적으로 이용 가능한 혈액 글루코스 측정기를 사용하는 혈액 글루코스 측정과 상관되었다.o Human sweat glucose measurement: Real-time continuous monitoring of glucose concentration in human sweat was performed using wearable GFET/PBA sensors. Real-time continuous sweat glucose responses were correlated with blood glucose measurements using a commercially available blood glucose meter.

기능화: 예로서, 그래핀 FET는 유체 내의 글루코스 분자에 특수하게 결합하는 링커 분자(로크(lock))로 기능화되었다. 예로서, GFET는 피렌 붕산(PBA: Pyrene Boronic Acid)으로 기능화되었다. 피렌 붕산은 파이(pi)-파이 결합을 사용하여 그래핀 표면에 결합한다. PBA는 D-글루코스와 가역성 붕소-음이온 착체를 형성한다. 제조 단계는 다음과 같다: Functionalization : As an example, a graphene FET was functionalized with a linker molecule (lock) that specifically binds to glucose molecules in the fluid. As an example, GFETs were functionalized with Pyrene Boronic Acid (PBA). Pyrene boric acid binds to the graphene surface using pi-pi bonds. PBA forms a reversible boron-anion complex with D-glucose. The manufacturing steps are as follows:

o 통상적으로 0.5mm 미만의 두께를 갖는 그래핀 상에 폴리머를 배치되었으며, 이는 그 후 성장된 촉매 기판으로부터 분리된다.o The polymer was placed on graphene, typically less than 0.5 mm thick, which was then separated from the grown catalyst substrate.

o 그 후, 그래핀 폴리머 착체가 테플론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 기판 상에 놓여지고 80-150 ℃에서 1-10 분 동안 가열되어 임의의 불순물을 제거한다.o After that, the graphene polymer complex is placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide, etc. and heated at 80-150℃ for 1-10 minutes to remove any impurities.

o 그 후, 그래핀 폴리머가 실온에서 기능화를 위해 5-20분 동안 PBA 용액에 도입되었다.o Afterwards, the graphene polymer was introduced into the PBA solution for 5–20 min for functionalization at room temperature.

o 기능화 단계 후에 센서를 사용할 준비가 되었다.o After the functionalization step, the sensor is ready for use.

DI 수 중의 다양한 D-글루코스 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어 D-글루코스에 대해 기능화된 센서의 감도를 연구하였다.The response of various D-glucose concentrations in DI water was measured on a GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose.

DI 수 중의 0.1 내지 100 mg/dL 범위의 D-글루코스 농도를 변화시킨 용액이 제조되었을 뿐만 아니라, DI 수 중의 다양한 농도의 락토오스가 제조되었다. 테스트는 GFET에 최저 농도 5ul을 도입한 다음, 3분 후 다음으로 높은 농도 등으로 진행하여 시작되었다. 모든 농도가 GFET에 도입될 때까지 계속하였다.Solutions with varying concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL in DI water were prepared, as well as various concentrations of lactose in DI water. The test began by introducing 5ul of the lowest concentration into the GFET, then proceeding to the next higher concentration after 3 minutes, and so on. This was continued until all concentrations were introduced into the GFET.

도 9는 GFET가 단지 DI 수 또는 락토오스 용액에 대해 상당한 반응을 나타내지 않았고, DI 수에서 D-글루코스 농도를 증가시키는 것에 대해 지수 반응을 나타낸다는 것을 보여준다. 증가하는 농도는 채널 양단의 전압을 변화시켰고, 이에 의해 대조로서 DI 수와의 D-글루코스에 대한 높은 선택도를 보였다.Figure 9 shows that GFET only showed no significant response to DI water or lactose solution, and showed an exponential response to increasing D-glucose concentration in DI water. Increasing concentration changed the voltage across the channel, thereby showing high selectivity for D-glucose with DI water as control.

NaCl 중 글루코스 반응 대 DI 수 중 글루코스 반응: DI 수 및 NaCl 용액에서 다양한 D-글루코스 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어, DI 수 중 D-글루코스 대 NaCl 중 D-글루코스에 대한 기능화된 센서의 감도를 연구하였고 NaCl의 영향을 이해하였다. Glucose response in NaCl versus glucose response in DI water : The response of various D-glucose concentrations in DI water and NaCl solutions was measured on a GFET to determine the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose in DI water versus D-glucose in NaCl. studied and understood the effects of NaCl.

DI 수 및 NaCl에서 각각 0.1로부터 100 mg/dL 범위의 다양한 농도의 D-글루코스를 갖는 용액이 제조되었다. 테스트는 GFET 상에 최저 농도 5ul를 도입한 다음, 3분 후에 다음으로 높은 농도 등으로 진행하는 식으로 시작되었다. 여기서, 농도는 대수적으로 증가했다. 모든 농도가 GFET에 도입될 때까지 계속하였다.Solutions were prepared with various concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL in DI water and NaCl, respectively. The test began by introducing 5 ul of the lowest concentration onto the GFET, then proceeding 3 minutes later to the next higher concentration, and so on. Here, the concentration increased logarithmically. This was continued until all concentrations were introduced into the GFET.

도 10은 NaCl 중의 D-글루코스 반응이 DI 수 중의 D-글루코스 반응보다 더욱 증폭되었음을 보여준다. GFET 상에 PFGT를 제공하는 극성 용액은 채널을 통한 전기적 응답을 증폭시킴으로써 감도를 증가시키고 가역성을 제공하였다.Figure 10 shows that the D-glucose response in NaCl was more amplified than the D-glucose response in DI water. Polar solutions providing PFGT on GFETs increased sensitivity and provided reversibility by amplifying the electrical response through the channel.

NaCl 용액 중의 글루코스 반응의 선택도 측정: NaCl 중의 다양한 D-글루코스 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어, D-글루코스에 대한 기능화된 센서의 감도를 연구하였다. Determination of selectivity of glucose response in NaCl solution : The response of various D-glucose concentrations in NaCl was measured on GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to D-glucose.

NaCl 용액에서 0.1로부터 100 mg/dL 범위의 다양한 농도의 D-글루코스를 갖는 용액이 제조되었을 뿐만 아니라, DI 수 중의 다양한 농도의 NaCl이 제조되었다. 테스트는 GFET 상에 최저 농도 5ul를 도입한 다음, 3분 후에 다음으로 높은 농도 등으로 진행하는 식으로 시작되었다. 여기서, 농도는 대수적으로 증가했다. 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 계속하였다.Solutions with various concentrations of D-glucose ranging from 0.1 to 100 mg/dL were prepared in NaCl solution, as well as various concentrations of NaCl in DI water. The test began by introducing 5 ul of the lowest concentration onto the GFET, then proceeding 3 minutes later to the next higher concentration, and so on. Here, the concentration increased logarithmically. This continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 11은 GFET가 단지 NaCl 용액에 대해 상당한 반응을 나타내지 않으며, NaCl 농도를 증가시키는 용액에 비해 고정된 NaCl 농도에서 증가하는 D-글루코스 농도의 용액에 대한 선형 반응을 나타냄을 보여준다. 증가하는 농도는 채널 양단의 전압을 변화시켰고, 이로써 D-글루코스에 대한 높은 선택성을 보였다. PBA로 기능화된 GFET(NFET)는 글루코스 농도에 대해 매우 선택적 반응(>95%)을 나타내었다.Figure 11 shows that the GFET shows no significant response to NaCl solutions alone, but a linear response to solutions of increasing D-glucose concentration at a fixed NaCl concentration compared to solutions of increasing NaCl concentration. Increasing concentration changed the voltage across the channel, resulting in high selectivity for D-glucose. GFET (NFET) functionalized with PBA showed a highly selective response (>95%) to glucose concentration.

도 11은 기능화된 글루코스 센서가 NaCl에 민감하지 않지 않는 반면(주황색 곡선이 상당히 편평함), 글루코스 곡선은 NaCl 용액에 존재하는 글루코스의 증가하는 농도에 따라 증가한다는 사상을 제공한다.Figure 11 provides an idea that while the functionalized glucose sensor is not insensitive to NaCl (the orange curve is fairly flat), the glucose curve increases with increasing concentrations of glucose present in the NaCl solution.

DI 수 중의 D-글루코스 반응의 감도 측정: DI 중의 다양한 D-글루코스 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어, D-글루코스에 대한 기능화된 센서의 감도 범위를 연구하였다. Sensitivity measurement of D-glucose response in DI water : The response of various D-glucose concentrations in DI was measured on GFET to study the sensitivity range of the functionalized sensor to D-glucose.

DI 수 중의 250 펨토그램/L로부터 100 mg/L 범위의 지수적으로 증가하는 글루코스 농도를 갖는 용액이 제조되었다. 테스트는 3분마다 5ul의 DI 수를 3회 도입한 후, 5ul의 최저 농도를 도입하고, 그 후 GFET 상에서 3분 후에 다음의 더 높은 농도를 도입하는 등의 식으로 진행하는 것으로 시작되었다. 여기서, 농도는 대수적으로 증가했으며; 예를 들어, 0.25 pg/l로부터, 그 후 2.5 pg/l 등이다. 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 계속하였다.Solutions were prepared with exponentially increasing glucose concentrations ranging from 250 femtograms/L to 100 mg/L in DI water. The test began with three introductions of 5 ul of DI water every 3 minutes, followed by the lowest concentration of 5 ul, followed by the next higher concentration 3 minutes later on the GFET, and so on. Here, the concentration increased logarithmically; For example, from 0.25 pg/l, then 2.5 pg/l, etc. This continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 12는 GFET가 단지 DI 수에 대한 상당한 반응을 나타내지 않았고, 변화된 채널 양단의 전류의 농도 증가로 최저 농도로부터 시작하여 최고 농도까지의 선형 반응을 나타내었고, 이에 의해 D-글루코스에 대한 약 250 펨토그램/리터(즉, 1.38e-12mmol/l)의 높은 감도를 보였다.Figure 12 shows that the GFET did not show a significant response to the DI number only, but showed a linear response starting from the lowest concentration to the highest concentration with increasing concentration of the current across the channel varied, resulting in a response of about 250 femto for D-glucose. It showed a high sensitivity of grams/liter (i.e., 1.38e -12 mmol/l).

기능화 단계: 도 13에 나타내어진 것은, 기능화 전, 기능화 후 및 글루코스가 센서 상에 도입된 후의 그래핀 센서에 대한 전류 반응이다. 이것은 GFET 제조 단계의 각 스테이지와, 각 스테이지 이후에 GFET의 전류 응답이 어떻게 변하는지를 이해하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 도 13에는, 기능화 이전(파란색)과 비교하여 기능화 이후(주황색) 전류 반응이 증가하고, 링커 분자가 파이-파이 결합으로 결합되고, 그래핀의 표면 상의 전체 전하가 증가하기 때문에 이것이 발생한다는 것이 나타내어져 있다. 링커 분자는 글루코스 분자를 끌어당기고 이 전하 구름을 사용하여 글루코스 분자에 결합하여, 이전 상태와 비교하여 GFET 상의 전류를 감소시킨다. Functionalization Steps : Shown in Figure 13 is the current response for the graphene sensor before functionalization, after functionalization and after glucose was introduced onto the sensor. This helps us understand each stage of the GFET manufacturing process and how the GFET's current response changes after each stage. For example, in Figure 13, the current response increases after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue), and this is because the linker molecules are bound by pi-pi bonds and the overall charge on the surface of graphene increases. It is shown that this occurs. The linker molecule attracts the glucose molecule and uses this charge cloud to bind to the glucose molecule, reducing the current on the GFET compared to the previous state.

땀 및 혈액에서의 D-글루코스 반응: 사람의 땀의 글루코스 농도의 측정이 인간 피험자로 수행되었다. 이 테스트는 피험자가 달리기와 같은 신체 활동을 수행할 것을 요구하였고, 몇 분마다 혈액 글루코스 측정기를 사용하여 혈액 글루코스를 측정하기 위해 혈액 샘플을 채취한다. GFET는 인간 피험자에 의해 팔뚝 및 아래 등(에크린 땀샘) 상에 착용된다. 땀의 D-글루코스 농도로 인한 전기적 반응은, 피험자가 (달리기와 같은) 강렬한 신체 활동을 수행하고 있는 동안 지속적으로(500 밀리초마다) 송신되고 기록되었다. D-Glucose Response in Sweat and Blood : Measurements of glucose concentration in human sweat were performed on human subjects. The test required the subject to perform a physical activity, such as running, and every few minutes a blood sample was taken to measure blood glucose using a blood glucose meter. GFETs are worn by human subjects on the forearms and lower back (eccrine sweat glands). Electrical responses due to sweat D-glucose concentration were transmitted and recorded continuously (every 500 milliseconds) while the subject was performing intense physical activity (such as running).

이 특별한 경우에, 신체 활동은 음식을 먹는 것이었다. 피험자가 착석할 때, 그의 글루코스는 땀과 혈액 글루코스 모두에서 볼 수 있는 것처럼 위로 올라 가기 시작할 것이다. 사람이 식사를 마치면, 글루코스 레벨이 떨어지고 안정화되기 시작할 것이다.In this particular case, the physical activity was eating food. When the subject sits down, his glucose will begin to rise as seen in both sweat and blood glucose. Once a person has finished eating, glucose levels will begin to drop and stabilize.

달리기의 경우, 달리기를 시작함에 따라, 신체는 글루코스를 사용하고 이를 끊어서 달리기 위한 에너지를 얻는다. 따라서 포도당의 감소를 볼 것이다. 그러나, 어느 시점이 지나면, 신체의 인슐린이 역할을 하고, 전체 글루코스 값이 다시 올라가기 시작할 것이다.In the case of running, as you start running, your body uses glucose and breaks it down to get energy for running. Therefore, you will see a decrease in glucose. However, after a certain point, the body's insulin will kick in and overall glucose levels will begin to rise again.

도 14는 전압의 부분적인 변화에 의해 나타내어지는, 땀의 D-글루코스 농도의 변화를 나타낸다.Figure 14 shows changes in sweat D-glucose concentration as indicated by partial changes in voltage.

도 15의 혈액 글루코스 데이터는 또한 운동의 전체 지속 기간 동안 시간에 대해 플롯팅되었다. 땀 글루코스 측정은 혈액 글루코스 측정과 상관되었다. 여기에서, 대응 혈액 글루코스 값에 대한 땀 글루코스 값이 혈액(혈액 대 땀)에 대해 플롯팅되어 상관 R2를 얻었으며, 이는 땀 글루코스와 혈액 글루코스가 얼마나 잘 매칭되는지에 대한 사상을 제공하였다.The blood glucose data in Figure 15 was also plotted against time for the entire duration of exercise. Sweat glucose measurements were correlated with blood glucose measurements. Here, sweat glucose values versus corresponding blood glucose values were plotted against blood (blood vs. sweat) to obtain the correlation R 2 , which gave an idea of how well sweat glucose and blood glucose matched.

도 16은 혈액 글루코스와 땀 글루코스 사이의 측정 상관을 추가로 나타낸다. 여기에서, 3개의 상이한 센서가 같은 시간에 동일한 사람에 대해 사용되었다. 150개 초과의 땀 글루코스 곡선이 상관을 위해, 연구 전체 기간 동안, 그 혈액 글루코스와 함께 10명의 인간 피험자로부터 수집되었다. 피험자는 신체 활동(운동, 달리기 등)을 수행했거나 신체 활동을 수행하지 않았다(책상에 앉아 있기 등). 이러한 150개의 곡선에 대해 계산된 상관은, 도 16에 또한 나타낸 바와 같이, 땀과 혈액 사이의 R2 = 84%였다.Figure 16 further shows the measurement correlation between blood glucose and sweat glucose. Here, three different sensors were used on the same person at the same time. More than 150 sweat glucose curves were collected from 10 human subjects for correlation, along with their blood glucose, over the entire period of the study. Subjects either performed physical activity (exercise, running, etc.) or did not perform physical activity (sitting at a desk, etc.). The correlation calculated for these 150 curves was R 2 = 84% between sweat and blood, as also shown in Figure 16.

다음의 신규한 결과 및/또는 특징이 관찰되었다.The following novel results and/or characteristics were observed.

높은 선택도: PBA로 기능화된 GFET(FET)는 상이한 통제 유체에서 글루코스 농도에 대해 매우 선택적 반응(>95%)을 나타내었다. High selectivity : PBA-functionalized GFETs (FETs) showed highly selective responses (>95%) to glucose concentrations in different control fluids.

높은 감도: PBA로 기능화된 GFET는 250 펨토그램/리터, 즉 1.38e-12 mmol/l의 검출 한계(LOD: limit of detection)로 D-글루코스에 대해 높은 감도를 나타내었다. 기존의 글루코스 측정은 0.3-1.1 mmol/l 사이의 LOD를 갖는다. PBA로 기능화된 GFET는 기존의 표준 글루코스 측정 디바이스보다 근사적으로 1010배 더 민감하다. GFET 센서는 높은 신호 대 잡음비를 가지며, 고도로 선택적이고 결합을 위한 높은 표면적으로 인해 표면과 수용체 분자 사이의 더 높은 결합이 존재한다. 이 모든 요인들은 GFET를 매우 민감하게 만드는 데 큰 차별화 역할을 한다. High sensitivity : GFET functionalized with PBA showed high sensitivity to D-glucose with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter, i.e., 1.38e -12 mmol/l. Conventional glucose measurements have an LOD between 0.3-1.1 mmol/l. GFETs functionalized with PBA are approximately 10 to 10 times more sensitive than existing standard glucose measurement devices. GFET sensors have a high signal-to-noise ratio, are highly selective, and there is higher binding between the surface and the receptor molecule due to the high surface area for binding. All these factors play a big differentiating role in making GFETs very sensitive.

극성 분자로 인한 게이트 조절: (물, 소금 등과 같은) 극성 유체에서, (이온과 같은) 극성 분자는 NFET 상에 극성 유체 게이트 단자(PFGT)를 형성한 것으로 관찰되었다. 그래핀 표면 부근의 극성 분자는 전하 전달을 위한 채널을 생성하는 유전 효과를 유도했다. PFGT의 게이팅 강도는 유체 내의 극성 분자의 전하 및 농도 모두에 의존하였다. 이러한 제3 극성 유체 게이트 단자(PFGT)는 극성 유체에서 글루코스 농도로부터의 전기적 응답을 조절했다. Gate control due to polar molecules : In polar fluids (such as water, salt, etc.), polar molecules (such as ions) have been observed to form a polar fluid gate terminal (PFGT) on the NFET. Polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect that created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and concentration of polar molecules in the fluid. This third polarized fluid gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from the glucose concentration in the polarized fluid.

연속 글루코스 모니터링: 그래핀 표면 상의 PBA-글루코스 결합의 가역성은 극성 유체로 형성된 NFET 상의 극성 유체 게이트 단자로 인한 전하 조절에 의해 크게 향상되었다. 극성 유체에서 (이온 등과 같은) 극성 분자의 농도가 높을수록, PBA-D-글루코스 결합의 더 큰 가역성이 관찰되었다. 센서에 결합된 글루코스 농도가 땀의 글루코스 농도보다 더 높으면, 그 깁스(Gibbs) 자유 에너지로 인해, PBA로부터 결합되지 않은 글루코스 분자 및 가역성이 관찰되고, 이는 글루코스의 농도가 잠시 떨어질 때, 도 14에 기록된 전기적 반응에서 명백히 보인다. 이는 극성 유체에서 D-글루코스 분자의 재사용 가능하고 실시간 연속적인 모니터링을 허용했다. Continuous glucose monitoring : The reversibility of PBA-glucose binding on the graphene surface was greatly enhanced by charge control due to the polar fluid gate terminal on the NFET formed with polar fluid. The higher the concentration of polar molecules (such as ions) in the polar fluid, the greater the reversibility of the PBA-D-glucose bond was observed. When the concentration of glucose bound to the sensor is higher than the glucose concentration in sweat, due to its Gibbs free energy, unbound glucose molecules from PBA and reversibility are observed, as shown in Figure 14 when the concentration of glucose briefly drops. This is clearly visible in the recorded electrical response. This allowed reusable, real-time continuous monitoring of D-glucose molecules in polar fluids.

센서 표면 위의 극성 유체의 움직임으로 인한 글루코스 센서의 재사용성: NFET 위의 (소금의 글루코스와 같은) 극성 유체의 움직임은 링커 분자로부터 결합된 글루코스 분자의 제거를 향상시킨다는 것이 관찰되었다. 예를 들어, 글루코스 용액이 GFET 내의 그래핀 표면으로부터 제거될 때, GFET의 전기적 응답은 기본 값으로 되돌아갔다. Reusability of glucose sensors due to movement of polar fluids over the sensor surface : It has been observed that movement of polar fluids (such as glucose in salt) over NFETs enhances the removal of bound glucose molecules from linker molecules. For example, when the glucose solution was removed from the graphene surface within the GFET, the electrical response of the GFET returned to its default value.

NFET 표면 위의 극성 유체의 유도된 움직임: (소금의 글루코스와 같은) 극성 유체가 NFET 표면과 극성 유체 사이의 증가된 소수성으로 인해, NFET 표면으로부터 즉시 반발하거나 이탈하려고 하는 것을 관찰되었다. 유체 내의 극성 분자의 농도가 높을수록, PFGT의 강도가 높아져서 반발 효과가 더 커진다. (섹션 e에서 상술한) 결합된 글루코스 분자의 제거 및 NFET 상의 PFGT로 인한 전기적 반응의 조절과 결합된 이러한 반발 효과는 높은 감도의, 선택적 및 연속적인 글루코스 시스템 모니터링을 허용했다. Induced movement of polar fluids on the NFET surface : It has been observed that polar fluids (such as glucose in salt) immediately repel or try to escape from the NFET surface due to the increased hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the higher the strength of the PFGT and the greater the repulsion effect. This repulsive effect combined with the removal of bound glucose molecules (described above in section e) and the modulation of the electrical response due to PFGT on the NFET allowed highly sensitive, selective and continuous monitoring of the glucose system.

인간의 땀에서의 실시간 연속 포도당 모니터링: PBA로 기능화된 GFET는 인간 피험자에 의해 팔뚝 및 아래 등(에크린 땀샘) 상에 착용되었다. 땀은 희석되고 초여과된 혈액이다. 피험자가 a) 강렬한 신체 활동(운동) 및 b) (사무실 데스크에 앉아서 식사를 하는 등과 같은) 강렬하지 않은 신체 활동을 수행한 동안, 땀에서의 글루코스 농도로 인한 전기적 반응이 지속적으로 (500 밀리초마다) 송신 및 기록되었다. 땀 글루코스 반응은 활동 길이(통상적으로 20분에서 6시간 초과) 동안 혈액 글루코스 측정을 사용하여 몇 분마다 취해진 혈액 클루코스 판독과 상관되었다. 땀에서의 배경 이온 농도(주로 NaCl)는 2개의 단자 GFET/PBA 디바이스 위에 PFGT를 형성한다는 것이 관찰되었다. GFET 상의 PFGT로 인한 PBA와 D-글루코스 결합 사이의 향상된 가역성은 인간의 땀에서 글루코스 분자의 지속적이고 비침습적 모니터링을 가능하게 했다. 혈액 글루코스와 땀 글루코스 측정 사이에 84%(R2)의 상관이 계산되었다. 상관은 다양한 신체 활동 조건 하에서 10명의 인간 피험자로부터 수집된 150개 초과의 땀 글루코스 반응에 대해 계산되었다. 땀은 매우 희석되고 초여과되기 때문에, 글루코스를 지속적으로 측정하기에 매우 좋은 극성 유체라는 것이 관찰되었다. Real-time continuous glucose monitoring in human sweat : GFETs functionalized with PBA were worn on the forearm and lower back (eccrine sweat glands) by human subjects. Sweat is diluted, ultrafiltered blood. While subjects are performing a) intense physical activity (exercise) and b) non-intense physical activity (such as eating while sitting at an office desk), an electrical response due to the concentration of glucose in sweat occurs continuously (500 milliseconds). each) was transmitted and recorded. The sweat glucose response was correlated with blood glucose readings taken every few minutes using blood glucose measurements over the length of the activity (typically 20 minutes to over 6 hours). It was observed that background ion concentrations in sweat (mainly NaCl) formed PFGTs on two terminal GFET/PBA devices. The enhanced reversibility between PBA and D-glucose binding due to PFGT on GFET enabled continuous, noninvasive monitoring of glucose molecules in human sweat. A correlation of 84% (R 2 ) was calculated between blood glucose and sweat glucose measurements. Correlations were calculated for over 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 measurement of glucose because it is highly diluted and ultrafiltered.

예 4Example 4

유산 샘플의 분석Analysis of miscarriage samples

이들 실시예에서, 고정된 전류 또는 전압이 GFET을 통과하였다.In these examples, a fixed current or voltage is passed through the GFET.

기능화: 그래핀 FET는 유체 내의 유산 분자에 특수하게 결합하는 링커 분자(로크)로 기능화되었다. 예를 들어, GFET는 중간 피렌-NHS 링크 화학을 사용하여 그래핀 표면에 유산염 옥시다아제(LOx)로 기능화되었다. Functionalization : The graphene FET was functionalized with a linker molecule (Locke) that specifically binds to lactic acid molecules in the fluid. For example, GFETs were functionalized with lactate oxidase (LOx) on the graphene surface using intermediate pyrene-NHS link chemistry.

o 일반적으로 0.5mm 미만의 두께로 그래핀 상에 폴리머가 배치되며, 이는 그 후 성장된 촉매 기판으로부터 분리된다.o A polymer is placed on graphene, typically less than 0.5 mm thick, which is then separated from the grown catalyst substrate.

o 그 후, 그래핀 폴리머 착체는 테플론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 기판 상에 놓여지며, 임의의 불순물을 제거하기 위해 80-150 ℃에서 1-10분 동안 가열된다.o Afterwards, the graphene polymer complex is placed on a polymer substrate such as Teflon, polyimide, etc. and heated at 80-150°C for 1-10 minutes to remove any impurities.

o 그 후, 그래핀 폴리머는 실온에서의 기능화를 위해 5-20분 동안 피렌-NHS 용액에 도입된다.o Afterwards, the graphene polymer is introduced into the pyrene-NHS solution for 5-20 min for functionalization at room temperature.

o 그 후, 그래핀 폴리머는 실온에서 5-20분 동안 결합시키기 위해 LOx 용액에 도입된다.o Afterwards, the graphene polymer is introduced into the LOx solution for binding for 5-20 minutes at room temperature.

o 기능화 단계 후에 센서를 사용할 준비가 된다.o After the functionalization step, the sensor is ready for use.

GFET/LOx 센서의 전기적 응답이 다음에 대해 기록되었다:The electrical response of the GFET/LOx sensor was recorded for:

o DI 수의 유산 농도o Lactic acid concentration in DI water

o 인공 땀의 유산 농도(DI + NaCl + 글루코스)o Lactic acid concentration in artificial sweat (DI + NaCl + glucose)

o 기능화되지 않은 GFET 상의 NaCl의 유산 농도o Lactic acid concentration of NaCl on non-functionalized GFET

o 기능화된 GFET 상의 NaCl의 유산 농도o Lactic acid concentration of NaCl on functionalized GFET

o 기능화된 디바이스의 인공 땀 농도(대조 2)o Artificial sweat concentration of the functionalized device (Control 2)

o 기능화된 GFET 상의 DI 수 반응o DI water response on functionalized GFETs

DI 수 중의 유산 반응의 선택도 측정: DI에서 다양한 유산 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어 유산에 대해 기능화된 센서의 감도를 연구하였다. DI 수 중의 0-25mM 범위의 다양한 농도의 유산을 갖는 용액이 제조되었다. 이 테스트는 GFET 상에 2ul의 최저 농도를 도입한 다음, 3분 후에 다음으로 가장 높은 농도로 진행하는 등으로 시작되었다. 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 계속하였다. Selectivity measurement of lactic acid response in DI water : The response of various lactic acid concentrations in DI was measured on a GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor toward lactic acid. Solutions with various concentrations of lactic acid ranging from 0-25mM in DI water were prepared. The test began by introducing 2ul of the lowest concentration onto the GFET, then proceeding 3 minutes later to the next highest concentration, and so on. This continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 17은, GFET가 단지 DI 수에 상당한 반응을 일으키지 않고, DI 수의 유산 농도 증가에 대한 다항식 반응을 나타내었으며, 증가하는 농도는 채널 양단의 전압을 변화시켰으며, 이에 의해 대조로서 DI 수를 사용하여 DI 수 중의 유산에 대한 높은 선택도를 보여준다는 것을 나타낸다.Figure 17 shows that the GFET does not simply produce a significant response to DI water, but exhibits a polynomial response to increasing lactic acid concentrations in DI water, with increasing concentrations changing the voltage across the channel, thereby using DI water as a control. This indicates that it shows high selectivity for lactic acid in DI water.

다양한 용액에서의 유산 반응의 선택도 측정: 다양한 용액에서의 다양한 유산 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어, 기능화되지 않은 센서 상에서의 유산에 대한 기능화된 센서의 감도 및 반응을 연구하였다. NaCl 및 NaCl-글루코스에서 0-25mM 범위의 다양한 농도의 유산을 갖는 용액이 제조하었다. 이 테스트는 GFET 상에 2ul의 최저 농도를 도입한 다음, 3분 후에 다음의 가장 높은 농도로 진행하는 등의 식으로 시작되었다. 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 각 용액에 대해 개별적으로 계속하였다. Determination of selectivity of lactic acid response in different solutions : The response of various lactic acid concentrations in different solutions was measured on the GFET to study the sensitivity and response of the functionalized sensor to lactic acid over the non-functionalized sensor. Solutions with various concentrations of lactic acid ranging from 0-25mM were prepared in NaCl and NaCl-glucose. The test began by introducing 2ul of the lowest concentration onto the GFET, then proceeding 3 minutes later to the next highest concentration, and so on. This was continued separately for each solution until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 18은, GFET가 단지 NaCl 또는 NaCl-글루코스 대조에 상당한 반응을 나타내지 않았으며, NaCl 및 NaCl-글루코스 용액에서 증가하는 유산 농도에 대한 다항식 반응(polynomial response)을 나타내었음을 보여준다. 증가하는 농도는 채널 양단의 전압을 변화시켰고, 이로써 유산에 대한 높은 선택도를 보였다. 유산 NaCl 용액의 비기능화된 센서에 대한 상당한 반응은 없었으며, 센서의 유산에 대한 선택도와 감도를 더욱 강조했다.Figure 18 shows that GFET showed no significant response to only NaCl or NaCl-glucose controls, but showed a polynomial response to increasing lactic acid concentrations in NaCl and NaCl-glucose solutions. Increasing concentration changed the voltage across the channel, resulting in high selectivity for lactic acid. There was no significant response to the non-functionalized sensor in lactic acid NaCl solution, further highlighting the selectivity and sensitivity of the sensor to lactic acid.

NaCl 중의 유산 반응 대 DI 수 중의 유산 반응: DI 수와 NaCl 용액 중의 다양한 유산 농도의 반응이 GFET 상에서 측정되어 DI 수 중의 유산 대 NaCl 중의 유산에 대한 기능화된 센서의 감도를 연구하고 NaCl 용액의 효과를 이해하였다. DI 수 및 NaCl에서 각각 0.1로부터 100 mg/dL 범위의 다양한 농도의 유산을 갖는 용액이 제조되었다. 테스트는 GFET 상에 2ul의 최저 농도를 도입한 다음, 3분 후에 다음으로 높은 농도를 가하는 등으로 시작되었다. 이는 모든 농도가 GFET 상에 도입될 때까지 계속되었다. Lactic acid response in NaCl versus lactic acid response in DI water : The response of various lactic acid concentrations in DI water and NaCl solutions was measured on a GFET to study the sensitivity of the functionalized sensor to lactic acid in DI water versus lactic acid in NaCl and the effect of NaCl solution. I understand. Solutions with various concentrations of lactic acid ranging from 0.1 to 100 mg/dL were prepared in DI water and NaCl, respectively. The test began by introducing 2ul of the lowest concentration onto the GFET, then applying the next higher concentration 3 minutes later, and so on. This continued until all concentrations were introduced onto the GFET.

도 19는 NaCl에서 유산 반응이 DI 수에서 유산 반응보다 적게 증폭됨을 보여준다.Figure 19 shows that the lactic acid reaction in NaCl is less amplified than the lactic acid reaction in DI water.

GFET 제조를 통해 시각화된 유산 기능화 단계: 기능화 전과 기능화 후, 그리고 유산이 센서에 도입된 후의 그래핀 센서에 대한 전류 반응이 도 20에 도시되어 있다. 이는 GFET 제조 단계의 각 스테이지와, 각 스테이지 이후에 GFET의 전류 반응이 어떻게 변하는지 이해하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 도 20은 기능화 이전(파란색)과 비교하여 기능화 이후(주황색)에 전류 반응이 감소함을 보여준다. 링커 분자는 유산 분자를 끌어당기고 이와 결합하여, 이전 상태와 비교하여 GFET 상의 전류를 감소시킨다. Lactic acid functionalization steps visualized through GFET fabrication : the current response for the graphene sensor before and after functionalization and after the introduction of lactic acid into the sensor is shown in Figure 20. This helps us understand each stage of the GFET manufacturing process and how the GFET's current response changes after each stage. For example, Figure 20 shows a decrease in current response after functionalization (orange) compared to before functionalization (blue). The linker molecule attracts and binds to the lactic acid molecule, reducing the current on the GFET compared to the previous state.

다음의 신규한 결과 및/또는 특징이 관찰되었다.The following novel results and/or characteristics were observed.

높은 선택도: LOx로 기능화된 GFET(FET)는 상이한 통제 유체에서 유산 농도에 대해 매우 선택적인 반응(> 94%)을 나타내었다. High selectivity : LOx-functionalized GFETs (FETs) showed highly selective responses (>94%) to lactic acid concentrations in different control fluids.

높은 감도: 피렌 NHS로 기능화된 GFET는 250 펨토그램/리터, 즉 2.78e-12mmol/l의 검출 한계(LOD)로 유산에 대해 높은 감도를 나타내었다. 기존의 유산 측정은 0.001-10mmol/l 사이의 LOD를 갖는다. 피렌 NHS로 기능화된 GFET는 기존의 표준 유산 측정 디바이스보다 근사적으로 108배 민감하다. GFET 센서는 높은 신호 대 잡음비를 가지며 매우 선택적이며 결합에 대한 높은 표면적으로 인해 표면과 수용체 분자 사이에 더 높은 결합이 존재한다. 이러한 모든 요인은 GFET를 매우 민감하게 만드는 데 있어 큰 차별화된 역할을 한다. High sensitivity : GFET functionalized with pyrene NHS showed high sensitivity to lactic acid with a limit of detection (LOD) of 250 femtograms/liter, i.e. 2.78e -12 mmol/l. Conventional lactic acid measurements have LODs between 0.001 and 10 mmol/l. GFETs functionalized with pyrene NHS are approximately 108 times more sensitive than existing standard lactic acid measurement devices. GFET sensors have a high signal-to-noise ratio, are highly selective, and due to their high surface area for binding, there is higher binding between the surface and the receptor molecule. All these factors play a big differentiating role in making GFETs very sensitive.

극성 분자로 인한 게이트 조절: (물, 소금 등과 같은) 극성 유체에서, (이온과 같은) 극성 분자가 NFET 상에 극성 유체 게이트 단자(PFGT)를 형성한다는 것이 관찰되었다. 그래핀 표면 부근의 극성 분자는 전하 전달을 위한 채널을 생성시키는 유전 효과를 유발했다. PFGT의 게이팅 강도는 유체 내의 극성 분자의 전하 및 농도 모두에 의존하였다. 이러한 제3 극성 유체 게이트 단자(PFGT)는 극성 유체에서의 유산 농도로부터의 전기적 응답을 조절하였다. Gate regulation due to polar molecules : In polar fluids (such as water, salt, etc.), it has been observed that polar molecules (such as ions) form polar fluid gate terminals (PFGTs) on the NFET. Polar molecules near the graphene surface induced a dielectric effect that created channels for charge transfer. The gating strength of PFGT depended on both the charge and concentration of polar molecules in the fluid. This third polarized fluid gate terminal (PFGT) modulated the electrical response from the lactic acid concentration in the polarized fluid.

NFET 표면 위의 극성 유체의 유도된 움직임: (인공 땀의 유산과 같은) 극성 유체는 NFET 표면과 극성 유체 사이의 증가된 소수성으로 인해, NFET 표면으로부터 즉각적으로 반발하거나, 이탈하려고 하는 것으로 관찰되었다. 유체 내의 극성 분자의 농도가 높을수록, PFGT의 강도가 높아져서 반발 효과가 더 커진다. NFET 상의 PFGT로 인한 전기적 반응의 조절과 결합된 이러한 반발 효과는 매우 민감하고, 선택적이며 지속적인 유산 시스템 모니터링을 가능하게 하였다. Induced movement of polar fluids on the NFET surface : Polar fluids (such as lactic acid in artificial sweat) have been observed to immediately repel or try to escape from the NFET surface due to the increased hydrophobicity between the NFET surface and the polar fluid. The higher the concentration of polar molecules in the fluid, the higher the strength of the PFGT and the greater the repulsion effect. This repulsion effect combined with the modulation of the electrical response due to PFGT on the NFET enabled highly sensitive, selective and continuous monitoring of the lactic acid system.

예 5Example 5

추가 분석Additional analysis

땀 소금 농도 상관: 도 21은 대응하는 땀 소듐 농도에 대한 땀 센서 반응을 나타낸다. Sweat Salt Concentration Correlation : Figure 21 shows the sweat sensor response to the corresponding sweat sodium concentration.

증가하는 농도의 NaCl(0.1 mg/dl 내지 100 mg/dl)이 3분마다 그래핀 센서 상에 추가되었다. 테스트는 최저 농도(예를 들어, 0.1 mg/dl)의 2 ul을 떨어뜨린 후, 3분 간격으로 다음으로 더 높은 농도(예를 들어, 0.2 mg/dl)를 떨어뜨리는 등으로 시작되었다. 전압의 상응하는 부분적 변화가 측정되었다. 이는 10개의 다른 센서에 대해 반복되었고, 15%의 최대 오차가 관찰되었다. 이것은 땀 소듐과 대응하는 전압 변화 사이의 상관에 대한 모델로서의 역할을 한다.Increasing concentrations of NaCl (0.1 mg/dl to 100 mg/dl) were added onto the graphene sensor every 3 minutes. The test began by dropping 2 ul of the lowest concentration (e.g., 0.1 mg/dl), followed by the next higher concentration (e.g., 0.2 mg/dl) at 3-minute intervals. The corresponding partial change in voltage was measured. This was repeated for 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.

땀 글루코스 농도 상관: 도 22는 대응하는 땀 글루코스 농도에 대한 땀 센서 반응을 나타낸다. Sweat Glucose Concentration Correlation : Figure 22 shows the sweat sensor response to the corresponding sweat glucose concentration.

증가하는 농도의 글루코스(0.1 mg/dl 내지 100 mg/dl)가 3분마다 그래핀 센서 상에 추가되었다. 테스트는 최소 농도(예를 들어, 0.1 mg/dl)의 5 ul을 떨어뜨린 후, 3분 간격으로 다음으로 더 높은 농도(예를 들어, 0.2 mg/dl)로 진행하는 등으로 시작되었으며, 대응하는 전압의 부분적 변화가 측정되었다. 이는 10개의 다른 센서에 대해 반복되었고, 5%의 최대 오차가 관찰되었다. 이는 땀 글루코스와 대응하는 전압 변화 사이의 상관에 대한 모델로서의 역할을 한다.Increasing concentrations of glucose (0.1 mg/dl to 100 mg/dl) were added onto the graphene sensor every 3 minutes. The test began with a 5 ul drop of the lowest concentration (e.g. 0.1 mg/dl) followed by a 3 minute interval to the next higher concentration (e.g. 0.2 mg/dl), and so on. The partial change in voltage was measured. This was repeated for 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.

트랜스-컨덕턴스 곡선: 도 23은 PFGT 디바이스에 대한 트랜스-컨덕턴스 곡선을 나타낸다. Trans-conductance curve : Figure 23 shows the trans-conductance curve for the PFGT device.

0.1 ng/dl로부터 1 ㎎/dl 범위의 증가하는 농도를 갖는 NaCl 용액이 3분마다 센서 상에 떨어진다. 테스트는 최저 농도(예를 들어, 0.1 ng/dl) 2 ul을 떨어뜨린 후, 3분 간격으로 다음으로 더 높은 농도(1 ng/dl)로 진행하는 등으로 시작되었다.NaCl solutions with increasing concentrations ranging from 0.1 ng/dl to 1 mg/dl are dripped onto the sensor every 3 minutes. The test began by dropping 2 ul of the lowest concentration (e.g., 0.1 ng/dl) and then proceeding to the next higher concentration (1 ng/dl) at 3-minute intervals.

극성 유체가 도입됨에 따라, 그래핀 센서 상에 디바이(debye)층이 형성되고, 게이팅 효과가 관찰되며, 디바이 길이 및 게이팅 효과 모두는 극성 분자의 농도 함수이다. NaCl 용액의 초기 농도의 경우, DI가 더 지배적이며, 이로 인해 구멍이 더 많이 생기고 전압이 떨어짐을 알 수 있다. 그러나, 몇 방울 떨어뜨린 후, 용액 중의 NaCl 농도가 증가하면, 더욱 지배적으로 되고 디바이층 부근에 더 많은 전자가 생성되고, 이에 의해 전압의 증가를 나타낸다.As the polar fluid is introduced, a debye layer is formed on the graphene sensor and a gating effect is observed, with both the debye length and the gating effect being a function of the concentration of polar molecules. For the initial concentration of NaCl solution, DI is more dominant, which results in more holes and a drop in voltage. However, after dropping a few drops, as the NaCl concentration in the solution increases, it becomes more dominant and more electrons are generated near the device layer, thereby resulting in an increase in voltage.

이는 극성 유체로 게이팅된 그래핀 센서의 트랜스-컨덕턴스 특성을 나타낸다.This shows the trans-conductance characteristics of a graphene sensor gated with a polar fluid.

상술한 다양한 방법 및 기술은 본 발명을 수행하기 위한 다수의 방법을 제공한다. 물론, 설명된 모든 목적 또는 이점이 본원에 설명된 임의의 특정 실시예에 따라 반드시 달성될 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들어, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본원에서 교시되거나 제안될 수 있는 다른 목적 또는 이점을 반드시 달성하지 않으면서 본원에서 교시된 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 본 방법이 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 다양한 유리한 및 불리한 대안들이 본원에 언급되어 있다. 일부 바람직한 실시예는 구체적으로 하나, 다른 또는 몇몇 유리한 특징을 포함하는 한편, 다른 것은 구체적으로 하나, 다른 또는 몇몇 불리한 특징을 배제하는 한편, 여전히 다른 것은 하나, 다른 또는 몇몇 유리한 특징을 포함함으로써 현재의 불리한 특징을 구체적으로 완화시킨다는 것을 이해해야 한다.The various methods and techniques described above provide numerous ways to carry out the invention. Of course, it should be understood that not every described object or advantage will necessarily be achieved in accordance with any particular embodiment described herein. Thus, for example, a person skilled in the art will be able to achieve or optimize one advantage or group of advantages taught herein without necessarily achieving another object or advantage that may be taught or suggested herein. It will be appreciated that the method may be performed. Various advantageous and disadvantageous alternatives are mentioned herein. Some preferred embodiments specifically include one, other or several advantageous features, while others specifically exclude one, other or several disadvantageous features, while still others include one, other or several advantageous features and thus present It must be understood that it specifically alleviates disadvantageous characteristics.

또한, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 상이한 실시예로부터의 다양한 특징들의 적용 가능성을 이해할 것이다. 마찬가지로, 상술한 다양한 요소, 특징 및 단계뿐만 아니라 이러한 각각의 요소, 특징 또는 단계에 대한 다른 알려진 등가물이 본원에 설명된 원리에 따른 방법을 수행하기 위해 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 혼합되고 매칭될 수 있다. 다양한 요소, 특징 및 단계 중 일부는 구체적으로 포함될 것이고 다른 것들은 다양한 실시예에서 구체적으로 배제될 것이다.Additionally, those skilled in the art will understand the applicability of various features from different embodiments. Likewise, the various elements, features and steps described above, as well as other known equivalents for each of these elements, features or steps, can be mixed and matched by those skilled in the art to carry out methods according to the principles described herein. It can be. Some of the various elements, features and steps will be specifically included and others will be specifically excluded in various embodiments.

비록 본 발명이 특정 실시예 및 예와 관련하여 개시되었지만, 본 발명의 실시예가 구체적으로 개시된 실시예를 넘어서 다른 대안적인 실시예 및/또는 사용과 수정 및 그 균등물로 확장된다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다.Although the present invention has been disclosed with respect to specific embodiments and examples, it is understood in the art that the embodiments of the invention extend beyond the specifically disclosed embodiments to other alternative embodiments and/or uses and modifications and equivalents thereof. It will be understood by those skilled in the art.

많은 변형 및 대안적인 요소가 본 발명의 실시예에 개시되어 있다. 또 다른 변형 및 대안적인 요소가 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.Many modifications and alternative elements are disclosed in embodiments of the invention. Further variations and alternative elements will be apparent to those skilled in the art.

일부 실시예에서, 본 발명의 특정 실시예를 설명하고 청구하는 데 사용되는 분자량, 반응 조건 등과 같은 요소의 양, 특성을 표현하는 숫자는 일부 경우에 "대략(about)"이라는 용어로 수정되도록 이해되어야 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 기재된 설명 및 첨부된 청구항에 개진된 수치 파라미터는 특정 실시예에 의해 얻어지도록 추구되는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 일부 실시예에서, 수치 파라미터는 보고된 유효 자릿수의 수의 관점에서 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 넓은 범위의 본 발명의 일부 실시예를 개진하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 특정 예에 개진된 수치는 가능한 한 정확하게 보고된다. 본 발명의 일부 실시예에서 제시된 수치는 그 각각의 테스트 측정에서 발견된 표준 편차로부터 반드시 필연적으로 발생하는 특정 오차를 포함할 수 있다.In some embodiments, numbers expressing quantities, properties of elements, such as molecular weight, reaction conditions, etc., used to describe and claim specific embodiments of the invention are understood to be modified in some cases by the term "about". It has to be. 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 achieved by a particular embodiment. In some embodiments, numeric parameters should be interpreted in light of the number of reported significant digits and applying ordinary rounding techniques. Although the numerical ranges and parameters setting forth the broad scope of some embodiments of the invention are approximations, the numerical values set forth in specific examples are reported as accurately as possible. The values presented in some embodiments of the invention may include certain errors that necessarily arise from the standard deviation found in the respective test measurements.

일부 실시예에서, (특히 이하의 청구 범위의 특정 맥락에서) 본 발명의 특정 실시예를 설명하는 맥락에서 사용되는 용어 "어느(a)" 및 "어떤(an)" 및 "그(the)" 및 유사한 참조는 단수형과 복수형 모두를 포함하도록 해석될 수 있다. 본원에서의 값의 범위의 기술은 그 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 참조하는 단축된 방법으로서의 역할을 하도록 단지 의도된 것이다. 본원에서 달리 지시하지 않는 한, 각각의 개별 값은 본원에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 통합된다. 본원에 설명된 모든 방법은 본원에서 달리 지시되지 않는 한, 또는 문맥에 의해 명확하게 달리 모순되지 않는 한, 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본원의 특정 실시예와 관련하여 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 보다 잘 나타내도록 의도된 것이며, 달리 청구되는 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서에서 어떠한 언어도 본 발명의 실시에 필수적인 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.In some embodiments, the terms “a” and “an” and “the” are used in the context of describing specific embodiments of the invention (especially in the specific context of the claims below). and similar references may be construed to include both singular and plural forms. The description of ranges of values herein is merely intended to serve as a shorthand way of referring individually to each individual value falling within the range. Unless otherwise indicated herein, each individual value is incorporated into the specification 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 (e.g., “such as”) provided in connection with specific embodiments herein is intended only to better illustrate the invention and to the invention as otherwise claimed. Do not limit the scope. No language in the specification should be construed as indicating any non-claimed element essential to the practice of the invention.

본원에 개시된 본 발명의 대체 요소 또는 실시예의 그룹은 한정적인 것으로 해석되어서는 안된다. 각 그룹 멤버는 개별적으로 또는 그룹의 다른 멤버 또는 본원 있는 다른 요소와의 임의의 조합으로 언급하거나 청구될 수 있다. 편의성 및/또는 특허성을 이유로 그룹의 하나 이상의 멤버가 그룹에 포함되거나 그룹에서 삭제될 수 있다. 이러한 임의의 포함 또는 삭제가 발생하는 경우, 명세서는 수정된 그룹을 포함하는 것으로 본원에서 간주되어, 첨부된 청구 범위에서 사용된 모든 마쿠시(Markush) 그룹의 기재된 설명을 수행한다.No group of alternative elements or embodiments of the invention disclosed herein should be construed as limiting. Each group member may be referred to or claimed individually or in any combination with other members of the group or other elements present herein. For reasons of convenience and/or patentability, one or more members of a group may be included in or removed from the group. If any such inclusion or deletion occurs, the specification is herein deemed to include the group as modified, carrying out the recited description of all Markush groups used in the appended claims.

본 발명의 바람직한 실시예가 본원에 설명된다. 이러한 바람직한 실시예에 대한 변형은 상술한 설명을 읽음으로써 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 이러한 변형을 적절하게 채용할 수 있으며, 본 발명은 본원에 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 고려된다. 따라서, 본 발명의 많은 실시예는 적용 가능한 법률에 의해 허용되는 바와 같이 본 명세서에 첨부된 청구항에 열거된 청구물의 모든 수정 및 등가물을 포함한다. 또한, 본원에서 달리 지시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 명확히 모순되지 않는 한, 그 모든 가능한 변형에서 상술한 요소의 임의의 조합이 본 발명에 포함된다.Preferred embodiments of the invention are described herein. Modifications to these preferred embodiments will become apparent to those skilled in the art upon reading the foregoing description. It is contemplated that those skilled in the art may employ such modifications as appropriate, and that the invention may be practiced otherwise than as specifically described herein. Accordingly, many embodiments of the present 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.

또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 특허 및 인쇄된 공보에 대한 다수의 참조가 이루어졌다. 상기 인용된 참고 문헌 및 인쇄된 공보 각각은 본원에 그 전체가 참조로 개별적으로 통합된다.Additionally, numerous references are made to patents and printed publications throughout this specification. Each of the references and printed publications cited above is individually incorporated herein by reference in its entirety.

결론적으로, 본원에 개시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 원리를 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 채용될 수 있는 다른 수정이 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다. 따라서, 제한이 아닌 예시의 방식으로, 본 발명의 대안적인 구성이 본원의 교시에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 나타내어지고 설명된 바와 같이 정확하게 한정되지 않는다.In conclusion, the embodiments of the invention disclosed herein should be understood as illustrative of the principles of the invention. Other modifications that may be employed may be within the scope of the present invention. Accordingly, by way of example and not limitation, alternative configurations of the invention may be utilized in accordance with the teachings herein. Accordingly, embodiments of the invention are not limited to exactly as shown and described.

Claims (12)

전계 효과 트랜지스터에 있어서,
드레인 전극;
소스 전극;
전기적으로 도전성이고 화학적으로 민감한 채널을 부분적으로 규정하는 나노스케일 재료층 ― 상기 나노스케일 재료층 및 상기 채널은 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극 사이에서 연장되고, 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극에 전기적으로 접속됨 ―; 및
상기 나노스케일 재료층에 노출된 극성 유체에 의해 생성된 극성 유체 유도된 게이트 단자 ― 상기 극성 유체는 타겟 피분석물을 포함하고, 게이트 전압이 상기 극성 유체에 의해 유도되고 상기 타겟 피분석물의 농도와 연관됨 ―
를 포함하는 전계 효과 트랜지스터.
In the field effect transistor,
drain electrode;
source electrode;
a layer of nanoscale material partially defining an electrically conductive and chemically sensitive channel, wherein the layer of nanoscale material and the channel extend between the drain electrode and the source electrode and are electrically connected to the drain electrode and the source electrode. became -; and
A polar fluid induced gate terminal generated by a polar fluid exposed to the layer of nanoscale material, wherein the polar fluid comprises a target analyte, and wherein a gate voltage is induced by the polar fluid and varies with the concentration of the target analyte. Related ―
A field effect transistor containing a.
제1항에 있어서,
정전류 또는 정전압이 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 인가되고, 상기 정전류 또는 상기 정전압은 정전류원 또는 정전압원에 의해 제공되는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
A field effect transistor wherein a constant current or constant voltage is applied between the source electrode and the drain electrode, and the constant current or constant voltage is provided by a constant current source or a constant voltage source.
제1항에 있어서,
상기 전계 효과 트랜지스터는 전기 절연성 기판을 더 포함하고, 상기 나노스케일 재료층은 상기 전기 절연성 기판 상에 배치되는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
The field effect transistor further comprises an electrically insulating substrate, and the nanoscale material layer is disposed on the electrically insulating substrate.
제1항에 있어서,
상기 극성 유체는, 극성 분자들을 함유한 용액, 극성 분자들을 함유한 가스, 타겟 감지 피분석물, 또는 그 조합을 포함하는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
A field effect transistor, wherein the polar fluid includes a solution containing polar molecules, a gas containing polar molecules, a target sensing analyte, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 극성 유체는 땀, 호흡, 타액, 귀지, 소변, 정액, 혈장, 생체-유체, 화학적 유체, 공기 샘플, 가스 샘플, 또는 그 조합을 포함하는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
A field effect transistor, wherein the polar fluid includes sweat, breath, saliva, earwax, urine, semen, plasma, bio-fluid, chemical fluid, air sample, gas sample, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 타겟 피분석물은 전해질, 글루코스(glucose), 유산(lactic acid), IL6, 사이토카인(cytokine), HER2, 코르티솔(cortisol), ZAG, 콜레스테롤, 비타민, 단백질, 약 분자(drug molecule), 메타볼라이트(metabolite), 펩타이드, 아미노산, DNA, RNA, 압타머(aptamer), 효소, 생체 분자, 화학 분자, 합성 분자, 또는 그 조합을 포함하는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
The target analytes include electrolytes, glucose, lactic acid, IL6, cytokines, HER2, cortisol, ZAG, cholesterol, vitamins, proteins, drug molecules, and metabolites. A field effect transistor comprising a metabolite, peptide, amino acid, DNA, RNA, aptamer, enzyme, biomolecule, chemical molecule, synthetic molecule, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 나노스케일 재료층 상에 퇴적된 수용체층을 더 포함하고, 상기 수용체층은 상기 타겟 피분석물을 타겟으로 하도록 구성된 수용체들을 포함하는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
A field effect transistor, further comprising a receptor layer deposited on the nanoscale material layer, the receptor layer comprising receptors configured to target the target analyte.
제7항에 있어서,
상기 수용체들은 피렌 붕산(PBA: pyrene boronic acid), 피렌 N-하이드록시숙신이미드 에스테르(피렌-NHS), 유기 화학물, 방향족 분자, 환형 분자, 효소, 단백질, 항체, 바이러스, 단일 가닥 DNA(ssDNA)들, 압타머, 무기 재료, 합성 분자, 또는 생물학적 분자를 포함하는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
In clause 7,
The receptors include pyrene boronic acid (PBA), pyrene N-hydroxysuccinimide ester (pyrene-NHS), organic chemicals, aromatic molecules, cyclic molecules, enzymes, proteins, antibodies, viruses, and single-stranded DNA ( A field effect transistor comprising ssDNA), aptamers, inorganic materials, synthetic molecules, or biological molecules.
제1항에 있어서,
추가적인 기계적 기능, 전기적 기능, 화학적 기능, 생물학적 기능, 또는 그 조합에 대한 지지체를 제공하도록 구성된, 상기 나노스케일 재료층 아래의 백(back) 폴리머층을 더 포함하는 전계 효과 트랜지스터.
According to paragraph 1,
A field effect transistor further comprising a back polymer layer beneath the layer of nanoscale material, configured to provide support for additional mechanical, electrical, chemical, biological, or combinations thereof.
제9항에 있어서,
상기 백 폴리머층은 탄소 폴리머, 바이오 폴리머, PMMA, PDMS, 가요성 유리, 나노스케일 재료, 실리카 겔, 실리콘, 잉크, 인쇄된 폴리머, 또는 그 임의의 조합을 포함하는 것인, 전계 효과 트랜지스터.
According to clause 9,
The field effect transistor of claim 1 , wherein the back polymer layer includes carbon polymer, biopolymer, PMMA, PDMS, flexible glass, nanoscale material, silica gel, silicon, ink, printed polymer, or any combination thereof.
극성 유체 내의 타겟 피분석물을 감지하기 위한 방법에 있어서,
상기 극성 유체의 샘플을 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전계 효과 트랜지스터에 노출시키는 단계;
제1 시점에서 제1 소스-드레인 전압을, 그리고, 제2의 후속하는 시점에서 제2 소스-드레인 전압을 측정하는 단계; 및
상기 제1 소스-드레인 전압 및 상기 제2 소스-드레인 전압에 기초하여 상기 극성 유체의 상기 타겟 피분석물의 농도를 결정하는 단계
를 포함하는 극성 유체 내의 타겟 피분석물을 감지하기 위한 방법.
In a method for detecting a target analyte in a polar fluid,
exposing a sample of the polar fluid to the field effect transistor of any one of claims 1 to 10;
measuring a first source-drain voltage at a first time point and a second source-drain voltage at a second subsequent time point; and
determining the concentration of the target analyte in the polar fluid based on the first source-drain voltage and the second source-drain voltage.
A method for detecting a target analyte in a polar fluid comprising a.
시스템에 있어서,
전계 효과 트랜지스터; 및 상기 전계 효과 트랜지스터와 전기적으로 접속된 정전류원 또는 정전압원을 포함하고,
상기 전계 효과 트랜지스터는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것인, 시스템.

In the system,
field effect transistor; and a constant current source or constant voltage source electrically connected to the field effect transistor,
A system wherein the field effect transistor includes the field effect transistor of any one of claims 1 to 10.

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