[논문 리뷰] Electrochemical Glucose Sensor using Single-Wall Carbon Nanotube Field Effect Transistor

Reetu Raj Pandey, Jie Liang외 3명|ArXiv.org|2020. 06. 08.

Electrochemical sensors and biosensors참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1-피레닐부티르산 술폰아이드 에스터 라이너를 통해 과당산화효소(GOx)로 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(스위치)를 이용한 고감도, 저비용 포도당 센서를 제시한다. 센서는 분석물질 유도 전자 이동을 실시간으로 측정 가능한 전류 변화로 변환하여 0.01mM 포도당에서도 감지할 수 있으며, 잘 분산된 CNT 네트워크와 기능화된 CNT를 통한 효율적인 전자 이동 덕분에 감도가 향상된다.

ABSTRACT

In this paper, we present a simple yet sensitive method for glucose sensing using carbon nanotube field-effect transistor (CNTFET) based biosensor. The CNTs were well-dispersed to form CNT networks and maintain functional connectivity among CNTs, which increases the electron transfer through the network and thus, the electronic readout. Moreover, glucose oxidase (GOx) molecules are immobilized by CNT functionalization to form effective and sensitive CNT networks as FET channel. The CNTs are functionalized with linkers (1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester) to immobilize GOx on CNTs, where GOx serves as a mediator between CNTs and glucose for electron transfer. The liquid analyte glucose is adsorbed on CNTs via GOx and linkers by releasing additional electrons in the CNTFET channel and thus, increasing the CNTFET readout current. The binding of the target glucose molecules and GOx emulates the gate potential of FET channel and the electronic response of the sensor is recorded in real-time. Moreover, the variations in electronic readout of CNTFET biosensor are observed and is stipulated due to variation in CNT dispersion on each device. Overall, this work presents a simple, fast, sensitive, low-cost, and low concentration (0.01 mM) detection of glucose using CNTFET sensors.

연구 동기 및 목표

• 임상 및 현장 진단용으로 단순하고 신속하며 저비용의 포도당 생체센서를 개발하기 위해.
• 잘 분산되고 기능적으로 연결된 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 네트워크를 형성하여 전자 이동과 센서 감도를 향상시키기 위해.
• 특정 화학 라이너를 통해 포도당 산화효소(GOx)를 SWCNT에 고정시켜 효과적인 생전기화학적 변환을 실현하기 위해.
• 분석물질 결합에 따른 CNTFET 전류 변화를 모니터링하여 실시간, 레이블 프리 감지를 가능하게 하기 위해.
• 필드효과 트랜지스터 구조를 이용해 초저농도 포도당(0.01mM)에서도 감지를 실현하기 위해.

제안 방법

• 고전도성 네트워크를 형성하기 위해 표면활성제를 사용하여 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 용액에 분산시켰다.
• 1-피레닐부티르산 술폰아이드 에스터(PBASE)로 SWCNT를 기능화하여 포도당 산화효소(GOx) 분자의 공유 결합 고정을 가능하게 하였다.
• GOx가 기능화된 CNT에 공유 결합으로 부착되어, 포도당 산화가 전자를 생성하는 생전기화학적 인터페이스를 형성하였다.
• 기능화된 CNT 네트워크는 FET 채널으로 기능하였으며, 포도당이 GOx에 결합함에 따라 게이트 전압이 조절되어 채널 전도도가 변화하였다.
• 적용된 게이트 및 드레인 전압 하에서 전류 변화(Ids)를 측정하여 전기화학적 반응을 실시간으로 측정하였다.
• 센서 반응을 포도당 농도와 연관지어 감도 및 검출 한계를 산정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효소 기능화 나노튜브를 이용한 SWCNT-FET 생체센서가 저농도에서 민감하고 선택적인 포도당 감지를 가능하게 하는가?
• RQ2 CNT 분산 및 네트워크 연결성이 FET 센서의 전자적 반응과 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 PBASE 라이너를 통한 GOx 고정이 생체센서 내 전자 이동 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 포도당 결합에 의해 유도된 FET 반응이 게이트 전압 조절을 모방하여 실시간 전자 변환을 가능하게 하는가?
• RQ5 이 CNTFET 기반 생체센서 플랫폼을 사용해 포도당의 검출 한계는 얼마인가?

주요 결과

• 센서는 0.01mM 포도당에서 검출 한계를 확보하여 초저농도에서 높은 감도를 입증하였다.
• 잘 분산된 SWCNT 네트워크는 전자 이동을 크게 향상시키고 센서 반복성도 향상시켰다.
• PBASE 라이너로의 기능화는 CNT에 대한 GOx의 안정적이고 효율적인 고정을 가능하게 하여 생전기화학적 활성을 향상시켰다.
• CNTFET의 전자적 반응은 포도당 농도 증가에 따라 증가하였으며, 분석물질 유도 전자 이동에 기인한 측정 가능한 전류 변화를 나타내었다.
• 전류 변화의 실시간 모니터링은 포도당 첨가에 대한 동적 반응을 확인하여 연속 모니터링에 적합함을 입증하였다.
• 장치 반응의 변동성은 개별 장치 간 CNT 분산의 차이로 기인하며, 제조 공정의 통제 중요성을 강조한다.