基于场效应管的高灵敏度柔性葡萄糖传感器设计

各种电子器件一直显示出作为生物传感器的潜力。近年来，人们对用于葡萄糖传感的先进技术进行了广泛的研究，例如光学传感、电化学传感和微波传感。这些技术已经越来越多地用于监测糖尿病患者，但是它们存在着灵敏度低、不稳定和制造工艺复杂等缺点。电子技术可以帮助解决几乎所有提到的问题。

据麦姆斯咨询报道，近日，设拉子科技大学（Shiraz University of Technology）报道了一种基于场效应晶体管（FET）的高灵敏度柔性葡萄糖传感器。结果表明，所开发的柔性晶体管可以用作新型无酶血糖测试条。合成的纳米结构空心微球（rGO/CuO-NHS）沉积在叉指电极之间的柔性PET基底上，作为背栅晶体管的通道。

优化了通道浓度和FET偏置电压，使得传感器表现出极低的检测限和高灵敏度。与电阻式传感器相比，本文所提出的基于FET的生物传感器通过栅极的感应电场放大电流使其具有更高的灵敏度、更低的检测限等优点。该柔性葡萄糖传感器的灵敏度为600μA/μM，检测限为1nM，具有高重现性、良好稳定性和高选择性。

该生物传感器对真实血清样品的高精度响应表明，其可以用作真实血液样品中葡萄糖检测的测试条。

在这项工作中，研究人员提出了一种用还原氧化石墨烯修饰的CuO空心球（rGO/CuO-NHS）作为通道的背栅FET（BGFET），以提高葡萄糖传感器的选择性、灵敏度和稳定性。本工作的新颖性在于使用具有纳米结构壳的CuO空心球作为柔性衬底上背栅FET的通道，该纳米结构壳通过rGO改性（就检测极限和灵敏度而言）。

结果证实了所提出的生物电子葡萄糖传感器的高性能，其在不使用酶的情况下提供了所需的葡萄糖传感参数。

柔性背栅葡萄糖传感器示意图：（a）晶体管模式；（b）电阻模式。

rGO/CuO-NHS BGFET传感器制造工艺示意图

研究人员提出的rGO/CuO-NHS BGFET葡萄糖传感的工作原理可以基于化学反应和晶体管作用来解释。

在反应过程中，石墨烯纳米片增强了葡萄糖氧化的电催化活性，进而产生更多的电子，并增加了通道的导电性，从而导致更高的FET电流。FET的栅极放大了产生的电流，使得与电阻器件相比，对于小浓度的葡萄糖可以读取更高的电流。

rGO/CuO-NHS BGFET传感器的传感机制示意图

BGFET传感器可以测量0到1µM范围内的葡萄糖浓度，并具有非常低（1nM）的检测限。所制备的rGO/CuO-NHS FET表现出优异的传感性能、高选择性、灵敏度和稳定性。

根据计算，FET对葡萄糖的灵敏度在0~1µM内约为600μA/μM。基于FET的生物传感器对人血清样本的响应在病理实验室得到验证，与商用设备非常一致。

柔性FET传感器的实验结果：（a）再现性、（b）重复性、（c）稳定性和（d）选择性。

简而言之，研究人员制备了一种基于rGO/CuO-NHS的柔性传感器。PET衬底两侧的Ag电极已被用于设计背栅FET和电阻生物传感器。

混合材料用作FET的通道，FET用作葡萄糖敏感材料。在葡萄糖存在之前和之后测量晶体管和电阻生物传感器的电特性。

随着葡萄糖浓度的增加，生物传感器的电流增加。所制备的rGO/CuO-NHS FET表现出优异的传感性能、高选择性、灵敏度和稳定性。

相信在不久的将来，凭借高精度和高选择性，本文所提出的传感器将被用于即时检测（POCT）领域。

审核编辑：刘清