Sensitivity of a charge-detecting label-free DNA sensor using field-effect transistors (FETs) depending on the Debye length

The effects of cations are very important in field-effect transistors (FETs) type DNA sensors detecting the intrinsic negative charge between single-stranded DNA and double-stranded DNA without labeling, because the intrinsic negative charge of DNA is neutralized by cations in electrolyte solution. We consider the Debye length, which depends on the concentration of cations in solution, to detect DNA hybridization based on the intrinsic negative charge of DNA. The Debye length is longer in buffer solution with a lower concentration of NaCl and the intrinsic negative charge of DNA is more effective on the channel surface in longer Debye length solution. The shifts in the gate voltage by DNA hybridization with complementary target DNA are 21 mV in 1 mM NaCl buffer solution, 7.2 mV in 10 mM NaCl buffer solution, and 5.1 mV in 100 mM NaCl buffer solution. The sensitivity of FETs to detect DNA hybridization based on charge detection without labeling depends on the Debye length.

전계효과 트랜지스터(FETs)를 이용한 전하 검출형 DNA 센서에서 Debye length에 따른 검출 감도

전계효과 트랜지스터(FETs)를 이용한 전하 검출형 DNA센서는 DNA가 가지고 있는 음전하를 중성화 시키는 양이온의 영향은 매우 중요하다. 본 논문에서는 양이온 농도에 의존하는 Debye length에 관한 연구를 통해 DNA 검출감도를 평가하였다. Debye length는 낮은 농도의 NaCl 용액에서 긴 거리를 유지하며, Debye length가 높은 용액에서 DNA가 가지고 있은 음전하는 게이트 채널에 보다 많은 영향을 미친다. 용액내 NaCl농도가 1 mM인 버퍼 용액에서 상보적 DNA의 hybridization에 의한 전계효과 트랜지스터의 게이전압은 21 mV 시프트 했으며, NaCl 농도가 10 mM인 버퍼 용액에서는 7.2 mV, NaCl농도가 100 mM인 버퍼 용액에서는 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압이 5.1 mV 각각 시프트 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 전계효과 트랜지스터를 이용한 전하 검출형 DNA센서의 검출 감도는 Debye length에 의존하는 것을 규명하였다.