Glucose sensor based on printed flexible electrolyte-gated transistor with floating gates

Glucose sensing has proven to be the major diagnostic tool for diabetes and obesity monitoring and for acute care patients surveillance. Various approaches have been investigated and marketed in the last 50 years chasing the aim of achieving a fast, cost-effective, continuous and non-invasive measurement. Transistor-based biosensors have attracted much attention due to their ability to transduce small biological signals into electrical readout with a good signal-to-noise ratio, due to their intrinsic amplification factor. Electrolyte-gated Field-Effect transistors (EGFETs) exploit electrolyte as high capacitance gate insulator and are characterized by low operation voltage (<1 V), ultra-low detection limit (LOD) and natural compatibility with aqueous environments, making them extremely suitable for direct interfacing with biological samples. Moreover, their compatibility with cost-effective large-area manufacturing processes, including solution processing techniques, makes them suitable candidates for low-cost point-of-care diagnostics. In this project, a glucose sensor based on EGFETs using floating gates is developed for the continuous monitoring of glucose in biological fluids. The biosensor is fabricated on a flexible plastic substrate by a combination of micro- and nanofabrication techniques including lithography, thermal evaporation and inkjet-printing. The floating gate of the device is functionalized with an enzyme membrane containing Glucose Oxidase (GOx) and is covered by a Nafion- or Chitosan-based protective semipermeable membrane in order to prevent enzyme leak and to control analyte flow towards the sensing layer. The device shows excellent sensing capability toward glucose, providing an appreciable LOD of ∼250 nM and linear responses in the [2.5; 15] mM range and, assuming a logarithmic concentration scale, in the micro molar range. Therefore, the biosensor appears compatible with physiological glucose levels in the main biological fluids, such as blood, interstitial fluid and sweat.

Il rilevamento di glucosio rappresenta il principale strumento diagnostico per il monitoraggio del diabete, dell’obesità e dei pazienti in terapia intensiva. Vari approcci sono stati studiati e commercializzati negli ultimi 50 anni con l’obiettivo di ottenere una misurazione veloce, economica, continua e non invasiva. I biosensori basati su transistor hanno attirato grande rilevanza grazie all’intrinseco fattore di amplificazione che permette di trasdurre piccoli segnali biologici in output con un apprezzabile rapporto segnale-rumore. I transistor a effetto di campo ad accoppiamento elettrolitico (EGFETs) sfruttano un elettrolito come isolante a elevata capacità e sono caratterizzati da una bassa tensione di lavoro (<1 V), un limite di rilevamento estremamente basso (LOD) e una compatibilità ottimale con ambienti acquosi, permettendo l’interfacciamento diretto con campioni biologici. Inoltre, il possibile utilizzo di processi di economici produzione su larga scala, tra cui tecniche di elaborazione in soluzione, li rende candidati perfetti per lo sviluppo di diagnostica point- of-care a basso costo. In questo progetto, un sensore basato su EGFETs con gate flottante è stato sviluppato per il monitoraggio continuo del glucosio nei fluidi biologici. Il dispositivo viene fabbricato su un substrato di plastica flessibile mediante una combinazione di tecniche di micro e nano fabbricazione, tra cui litografia, evaporazione termica e stampa a getto. Il gate flottante del dispositivo è funzionalizzato con una membrana enzimatica contenente Glucosio Ossidasi (GOx) ed è coperto da una membrana semipermeabile protettiva a base di Nafion o Chitosano per evitare il desorbimento dell’enzima e controllare il flusso dell’analita. Il dispositivo mostra un’eccellente capacità di rilevamento del glucosio, fornendo un LOD apprezzabile di ∼250 nM, risposte lineari nell’intervallo [2.5; 15] mM e, assumendo una scala di concentrazione logaritmica, nel range micro-molare. Pertanto, il biosensore appare compatibile con i livelli fisiologici di glucosio nei principali fluidi biologici, come il sangue, il liquido interstiziale e il sudore.