In-silico design of an all-armchair graphene nanoribbon field effect transistor sensor for the indirect detection of starch

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Date
2021
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Publisher
Pontificia Universidad Javeriana Cali
Abstract
El almidón juega un papel fundamental al ser una molécula esencial para comprender el transporte y almacenamiento de energía en plantas. En este artículo se destaca la importancia de la medición en tiempo real de la concentración ultra baja de este metabolito, para detectar y manejar los factores externos de estrés en plantas. Por lo tanto, presentamos el diseño in-silico de un dispositivo basado en un transistor de efecto de campo conformado por nanocintas de grafeno tipo armchair para la detección de concentraciones ultra bajas (pM-nM) de amilosa. Las moléculas de almidón están compuestas principalmente por dos polímeros de glucosa: amilopectina y amilosa, en donde la última presenta una estructura lineal, deseada por su simplicidad y menor tamaño. Usamos una monocapa autoensamblada de una molécula tipo pireno, como lo es el ácido 3-[4-(pireno-1-il)butanamido] fenilborónico o PBPBA, el cual se adsorbe físicamente sobre el canal semiconductor, funcionalizando la superficie del grafeno por medio de la estructura aromática del pireno. Adicionalmente, la interacción covalente de la molécula analito al extremo con ácido fenilborónico facilita la señal de detección al brindar estabilidad mecánica, química y electrónica del analito de interés. Además, examinamos configuraciones del sensor con diferentes anchos, para controlar la banda prohibida en el canal, diferentes longitudes para asegurar el transporte por tunelamiento cuántico a través de la unión semiconductor, y usamos un canal de compuerta trasera para optimizar el transporte electrónico y las propiedades de conmutación del dispositivo. Demostramos que la capa autoensamblada de PBPBA sobre el canal mejora la relación señal/ruido (SNR) del dispositivo, y estimamos un límite de detección (LOD) de 7; 123=n _10􀀀2mol=L (para una configuración de una matriz 2D simétrica, con el número de unidades de sensor por dimensión de matriz). Los dispositivos ofrecen una sensibilidad de corriente de salida entre 100-300 nA, a voltajes de compuerta bajos (VG = 1:2V) y voltaje de drenaje a fuente VDS = 0:6V 􀀀0:8V, para la detección de 1-2 moléculas de trímeros de amilosa. Por lo tanto, obtuvimos un sensor GNRFET de bajo consumo de energía con ligandos PBPBA funcionalizando el canal, el cual proporciona una solución en tiempo real y de alto rendimiento para detectar amilosa (un componente del almidón).
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