We analyzed the sensor response from aptamer-modified carbon nanotube thin film transistors that adsorb immunoglobulin E (IgE) with an inhomogeneous charge distribution. The net charge of the target molecules within the Debye length reflects the polarity of the electrical sensor signal. The complicated sensor response, which depends on the Debye length, can be interpreted by two kinds of adsorption states considering the influence of steric hindrance by previously adsorbed IgE molecules. These results explain the anomalous behavior of the sensor response in previous reports and pave the way to control the dynamic range.

1.
S.
Iijima
,
Nature
354
,
56
(
1991
).
2.
Y. S.
Lo
,
D. H.
Nam
,
H. M.
So
,
H.
Chang
,
J. J.
Kim
,
Y. H.
Kim
, and
J. O.
Lee
,
ACS Nano
3
,
3649
(
2009
).
3.
K.
Maehashi
,
T.
Katsura
,
K.
Kerman
,
Y.
Takamura
,
K.
Matsumoto
, and
E.
Tamiya
,
Anal. Chem.
79
,
782
(
2007
).
4.
T.
Sharf
,
J. W.
Kevek
,
T.
DeBorde
,
J. L.
Wardini
, and
E. D.
Minot
,
Nano Lett.
12
,
6380
6384
(
2012
).
5.
A.
Star
,
J. C. P.
Gabriel
,
K.
Bradley
, and
G.
Gruner
,
Nano Lett.
3
,
459
(
2003
).
6.
C.
Li
,
M.
Curreli
,
H.
Lin
,
B.
Lei
,
F. N.
Ishikawa
,
R.
Datar
,
R. J.
Cote
,
M. E.
Thompson
, and
C. W.
Zhou
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
12484
(
2005
).
7.
H. R.
Byon
and
H. C.
Choi
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
2188
(
2006
).
8.
A.
Star
,
E.
Tu
,
J.
Niemann
,
J. C. P.
Gabriel
,
C. S.
Joiner
, and
C.
Valcke
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
921
(
2006
).
9.
J. P.
Kim
,
B. Y.
Lee
,
S.
Hong
, and
S. J.
Sim
,
Anal. Biochem.
381
,
193
(
2008
).
10.
F. N.
Ishikawa
,
M.
Curreli
,
C. A.
Olson
,
H. I.
Liao
,
R.
Sun
,
R. W.
Roberts
,
R. J.
Cote
,
M. E.
Thompson
, and
C. W.
Zhou
,
ACS Nano
4
,
6914
(
2010
).
11.
W. S.
Li
,
P. X.
Hou
,
C.
Liu
,
D. M.
Sun
,
J. T.
Yuan
,
S. Y.
Zhao
,
L. C.
Yin
,
H. T.
Cong
, and
H. M.
Cheng
,
ACS Nano
7
,
6831
(
2013
).
12.
A. M.
Munzer
,
Z. R.
Michael
, and
A.
Star
,
ACS Nano
7
,
7448
(
2013
).
13.
M.
Citartan
,
S. C. B.
Gopinath
,
J.
Tominaga
,
S. C.
Tan
, and
T. H.
Tang
,
Biosens. Bioelectron.
34
,
1
(
2012
).
14.
D.
Li
,
S. P.
Song
, and
C. H.
Fan
,
Acc. Chem. Res.
43
,
631
(
2010
).
15.
R.
Negishi
,
Y.
Matsui
, and
Y.
Kobayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
06GE04
(
2017
).
16.
J. N.
Israelachvili
,
Intermolecular and Surface Forces
, 3rd ed. (
Elsevier Academic Press Inc.
,
2011
), p.
1
.
17.
E.
Stern
,
R.
Wagner
,
F. J.
Sigworth
,
R.
Breaker
,
T. M.
Fahmy
, and
M. A.
Reed
,
Nano Lett.
7
,
3405
(
2007
).
18.
M. L.
Hammock
,
O.
Knopfmacher
,
B. D.
Naab
,
J. B. H.
Tok
, and
Z. A.
Bao
,
ACS Nano
7
,
3970
(
2013
).
19.
N.
Lloret
,
R. S.
Frederiksen
,
T. C.
Moller
,
N. I.
Rieben
,
S.
Upadhyay
,
L.
De Vico
,
J. H.
Jensen
,
J.
Nygard
, and
K. L.
Martinez
,
Nanotechnology
24
,
035501
(
2013
).
20.
P. M.
Kane
,
D.
Holowka
, and
B.
Baird
,
J. Cell Biol.
107
,
969
(
1988
).
21.
S.
Okuda
,
S.
Okamoto
,
Y.
Ohno
,
K.
Maehashi
,
K.
Inoue
, and
K.
Matsumoto
,
J. Phys. Chem. C
116
,
19490
(
2012
).
22.
A.
Barre
,
R.
Culerrier
,
C.
Granier
,
L.
Selman
,
W. J.
Peumans
,
E. J. M.
Van Damme
,
F.
Bienvenu
,
J.
Bienvenu
, and
P.
Rouge
,
Mol. Immunol.
46
,
1595
(
2009
).
23.
J. D.
Wright
,
H. M.
Chu
,
C. H.
Huang
,
C.
Ma
,
T. W.
Chang
, and
C.
Lim
,
Sci. Rep.
5
,
11581
(
2015
).
24.
X. W.
Tang
,
S.
Bansaruntip
,
N.
Nakayama
,
E.
Yenilmez
,
Y. L.
Chang
, and
Q.
Wang
,
Nano Lett.
6
,
1632
(
2006
).
25.
X. J.
Xian
,
K.
Yan
,
W.
Zhou
,
L. Y.
Jiao
,
Z. Y.
Wu
, and
Z. F.
Liu
,
Nanotechnology
20
,
505204
(
2009
).
26.
J. P.
Kim
,
S.
Hong
, and
S. J.
Sim
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
11
,
4182
(
2011
).
27.
D.
Takagi
,
Y.
Kobayashi
, and
Y.
Hommam
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
6922
(
2009
).
28.
R.
Negishi
,
H.
Hirano
,
Y.
Ohno
,
K.
Haehashi
,
K.
Matsumoto
, and
Y.
Kobayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys. Part 2
50
,
06GE04
(
2011
).
29.
R.
Negishi
,
H.
Hirano
,
Y.
Ohno
,
K.
Maehashi
,
K.
Matsumoto
, and
Y.
Kobayashi
,
Thin Solid Films
519
,
6447
(
2011
).
30.
R.
Negishi
,
Y.
Ohno
,
K.
Maehashi
,
K.
Matsumoto
, and
Y.
Kobayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
51
,
06FD03
(
2012
).
31.
C. J.
Lee
,
J.
Park
, and
J. A.
Yu
,
Chem. Phys. Lett.
360
,
250
(
2002
).
32.
H. Q.
Cao
,
L. D.
Wang
,
Y.
Qiu
,
Q. Z.
Wu
,
G. Z.
Wang
,
L.
Zhang
, and
X. W.
Liu
,
ChemPhysChem
7
,
1500
(
2006
).
33.
R.
Negishi
,
K.
Yamamoto
,
H.
Kitakawa
,
M.
Fukumori
,
H.
Tanaka
,
T.
Ogawa
, and
Y.
Kobayashi
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
201901
(
2017
).
34.
S.
Hideshima
,
S.
Kuroiwa
,
M.
Kimura
,
S. S.
Cheng
, and
T.
Osaka
,
Electrochim. Acta
110
,
146
(
2013
).
35.
S. C.
Garman
,
B. A.
Wurzburg
,
S. S.
Tarchevskaya
,
J. P.
Kinet
, and
T. S.
Jardetzky
,
Nature
406
,
259
(
2000
).
36.
B. A.
Wurzburg
,
S. C.
Garman
, and
T. S.
Jardetzky
,
Immunity
13
,
375
(
2000
).
37.
L. H.
Christensen
,
E.
Riise
,
L.
Bang
,
C. Q.
Zhang
, and
K.
Lund
,
J. Immunol.
184
,
4966
(
2010
).
38.
N.
Drinkwater
,
B. P.
Cossins
,
A. H.
Keeble
,
M.
Wright
,
K.
Cain
,
H.
Hailu
,
A.
Oxbrow
,
J.
Delgado
,
L. K.
Shuttleworth
,
M. W. P.
Kao
,
J. M.
McDonnell
,
A. J.
Beavil
,
A. J.
Henry
, and
B. J.
Sutton
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
21
,
397
(
2014
).
39.
I.
Langmuir
,
J. Am. Chem. Soc.
40
,
1361
(
1918
).
40.
C.
Grathwohl
and
K.
Wuthrich
,
Biopolymers
15
,
2025
(
1976
).
41.
H.
Jamet
,
M.
Jourdan
, and
P.
Dumy
,
J. Phys. Chem. B
112
,
9975
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.