Why a Diffusing Single‐Molecule can be Detected in Few Minutes by a Large Capturing Bioelectronic Interface

分子 扩散 布朗运动 纳米器件 纳米技术 晶体管 电解质 化学物理 材料科学 化学 分析化学(期刊) 物理 电极 物理化学 色谱法 热力学 量子力学 电压 有机化学
作者
Eleonora Macchia,Liberato De,Fabrizio Torricelli,Cinzia Di Franco,Giuseppe Felice Mangiatordi,Gaetano Scamarcio,Luisa Torsi
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:9 (20): e2104381-e2104381 被引量:24
标识
DOI:10.1002/advs.202104381
摘要

Abstract Single‐molecule detection at a nanometric interface in a femtomolar solution, can take weeks as the encounter rate between the diffusing molecule to be detected and the transducing nanodevice is negligibly small. On the other hand, several experiments prove that macroscopic label‐free sensors based on field‐effect‐transistors, engaging micrometric or millimetric detecting interfaces are capable to assay a single‐molecule in a large volume within few minutes. The present work demonstrates why at least a single molecule out of a few diffusing in a 100 µL volume has a high probability to hit a large capturing and detecting electronic interface. To this end, sensing data, measured with an electrolyte‐gated FET whose gate is functionalized with 10 12 capturing anti‐immunoglobulin G, are here provided along with a Brownian diffusion‐based modeling. The EG‐FET assays solutions down to some tens of zM in concentrations with volumes ranging from 25 µL to 1 mL in which the functionalized gates are incubated for times ranging from 30 s to 20 min. The high level of accordance between the experimental data and a model based on the Einstein's diffusion‐theory proves how the single‐molecule detection process at large‐capturing interfaces is controlled by Brownian diffusion and yet is highly probable and fast.
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