Development of Palladium Source and Drain based Carbon Nanotube FET Biosensors Using an Inkjet Printing Method for Detection of Airborne Particulates

Abstract

This study presents the development and optimization of a highly sensitive carbon nanotube field-effect transistor (CNTFET)-based biosensor, utilizing palladium (Pd) as the source/drain (S/D) electrode material and molecularly imprinted polymers (MIPs) or aptamer functionalization to achieve selective detection of ergosterol and lipopolysaccharides (LPS), respectively. Traditional CNTFETs often employ chromium (Cr) for contact materials; however, Cr’s relatively high contact resistance limits device sensitivity. Here, we show that replacing Cr with Pd significantly enhances electrical properties, achieving increased mobility and favorable on/off ratios due to reduced contact resistance. The fabricated CNTFET biosensors exhibited superior linearity and sensitivity across a broad concentration range. For LPS detection, the aptamer-functionalized CNTFET showed a detection limit of 2.2 pg/mL and a linear response between 0.6 pg/ml to 10 ng/mL, outperforming conventional LPS detection methods such as the Limulus Amebocyte Lysate (LAL) assay. Similarly, the MIP-functionalized CNTFET sensor for ergosterol detection demonstrated a linear range from 0.6 pg/mL to 0.156 ng/mL, demonstrating performance comparable to traditional methods like high-performance liquid chromatography (HPLC). These results highlight the advantages of CNTFETs with Pd contacts for biosensing applications, showing high signal-to-noise ratios, minimal interference, and stable performance. Integrating MIP and aptamer functionalization further enhances target specificity and operational efficiency, establishing the Pd-CNTFET platform as a promising alternative for real-time, low-concentration detection in medical diagnostics and environmental monitoring. |대기 중 부유 입자는 인간의 건강에 직접적이고 간접적인 위협을 가하며, 효과적인 검출 방법의 필요성을 강조합니다. 본 연구는 세균의 존재를 나타내는 내독소(ET)와 진균류의 지표인 에르고스테롤(Erg)의 검출에 초점을 맞추었습니다. 기존의 ET 검출 방법인 LAL 테스트는 낮은 민감도와 β-글루칸과 같은 물질에 의한 간섭 문제가 있으며, Erg 검출 방법 또한 한계가 있습니다. 본 연구에서는 탄소 나노튜브 전계효과 트랜지스터(CNTFET)를 전기화학 센서로 활용하여 높은 민감도와 즉각적인 응답을 제공하는 실시간 검출 시스템을 개발하였습니다. CNT 채널에 PBase를 연결제로 사용하여 ET에 특이적인 앱타머를 부착함으로써 선택적으로 ET에 반응하는 센서를 제작하였습니다. 에르고스테롤 검출을 위해서는 분자 인쇄 폴리머(MIP)를 CNT 채널에 부착하여 선택적 결합과 검출이 가능하도록 하였습니다. 접촉 전극에 팔라듐(Pd)을 사용하여 소스/드레인 접촉 저항을 감소시켜 캐리어 이동도를 향상시켰습니다. 이는 센서의 작동 전류를 증가시키고 신호 대 잡음비를 개선하여 센서 성능을 향상시켰습니다. 또한, 잉크젯 프린팅 방법을 통해 CNT를 갭 사이에 연결하여 부유된 CNT 구조를 구현하였고, 이를 통해 앱타머 기능화를 극대화하여 센서 성능을 향상시켰습니다. 개발된 CNTFET 바이오센서는 ET에 대해 높은 민감도와 5차례 이상의 검출 범위를 보여주었습니다. 이는 기존 센서들에 비해 향상된 성능으로, 실시간 검출 능력을 갖춘 센서의 목표에 부합합니다. 에르고스테롤 검출에서도 유사한 결과를 얻어 다양한 농도에서 정확한 측정과 차별화가 가능함을 확인하였습니다. 향후 이 센서들을 단일 FET 어레이에 통합하여 하나의 칩에서 내독소와 에르고스테롤을 동시에 검출할 수 있는 시스템을 구축하고자 합니다. 추가 개발을 통해 주요 환경 물질의 검출 센서를 통합한 멀티칩 시스템으로 확장할 수 있으며, 이를 통해 단일 칩에서 다양한 대기 중 부유 입자를 포괄적으로 모니터링할 수 있는 강력한 도구를 제공할 것입니다.