Wafer-Scale Fabrication of Miniaturized Graphene-Based Ion-Selective Field-Effect Transistor Chips for Clinical Plasma Test

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作者
Qi Shu,Hongru Ma,Lvkun Yang,Xiaoqing Qi,Kaicong Liu,Liuna Luo,Wenjia Xie,Siqi Li,Kangxin Hou,Zijian Shi,F J Song,Donglin Ma,Gangshi Wang,T. Gao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (2): 4004-4014
标识
DOI:10.1021/acsami.5c19557
摘要

Rapid and reliable point-of-care plasma electrolyte analysis is critical for patient management under extensive care, driving demand for miniaturized sensors capable of ultralow sample consumption and multiplexed detection. We present a wafer-scale fabricated ion-selective graphene field-effect transistor (ISGFET) array that overcomes limitations of conventional ion-selective electrodes through a 2 μm × 5 μm sensing area and monolithic integration of K+/Na+/Ca2+ selective membranes. The ISGFET sensor exhibited high sensitivity (52.43 mV/decade for K+, 53.62 mV/decade for Na+, and 28.72 mV/decade for Ca2+) and selectivity in ion detection, as well as notable stability under physiological conditions and long-term reusability for over a month. The ISGFET-based sensing platform for the first time demonstrated its 100% diagnostic accuracy for potassium measurement in human plasma with an error of 4.37% (0.17 mM), when consuming less (<30 μL) sample volume, compared to hospital-based instrumentation. This manufacturable biosensor architecture not only addresses current needs in emergency blood testing but also establishes a foundation for next-generation wearable or in vivo electrolyte monitors through scalable graphene bioelectronics fabrication.
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