Power and Sensitivity Management of Carbon Nanotube Transistor Glucose Biosensors

生物传感器 材料科学 纳米技术 碳纳米管 碳纳米管场效应晶体管 场效应晶体管 阈值电压 适体 晶体管 灵敏度(控制系统) 光电子学 电压 电子工程 电气工程 工程类 生物 遗传学
作者
Jianping He,Xianmao Cao,Haiyang Liu,Yuqi Liang,Hong Chen,Mengmeng Xiao,Zhiyong Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (1): 1351-1360 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17309
摘要

Continuous glucose monitoring (CGM), which is significant for the daily management of diabetes, requires a low-power-consumption sensor system that can track low nanomolar levels of glucose in physiological fluids, such as sweat and tears. However, traditional electrochemical methods are limited to analytes in micromolar to millimolar ranges and entail high power consumption. Carbon nanotube (CNT) film field-effect transistors (FETs) are promising for constructing extremely sensitive biosensors, but their wide applications in CGM are limited by the strong screening effect of physiological fluids and the zero charge of glucose molecules. In this study, we demonstrate a glucose aptamer-modified CNT FET biosensor to realize a highly sensitive CGM system with sub-nW power consumption by applying a suitable gate voltage. A positive gate voltage can enlarge the effective Debye screening length at the double layer to reduce the local ion population nearby and then improve the sensitivity of the FET-based biosensors by 5 times. We construct CNT FET sensors for CGM with a limit of detection of 0.5 fM, a record dynamic range up to 109, and a power consumption down to ∼100 pW. The proposed field-modulated sensing performance scheme is applicable to other aptamer-based FET biosensors for detecting neutral or less charged molecules and opens opportunities to develop facilely modulated, highly sensitive, low-power, and noninvasive CGM systems.
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