Riassunto analitico
Il bio-riconoscimento è un meccanismo di fondamentale importanza all’interno dei processi biologici nei sistemi viventi, ed è ampiamente sfruttato in applicazioni tecnologiche e di carattere medico. L’Elettronica Organica è una tecnologia in forte crescita, e che appare perfetta come collegamento tra il mondo biologico e quello elettronico, grazie alla biocompatibilità di molti materiali, la capacità di lavorare in liquido, la flessibilità delle componenti e la facilità di fabbricazione. La caratteristica più innovativa dell’Elettronica Organica è l’idea secondo cui le proprietà dei vari materiali utilizzati possono essere regolate mediante modifiche per via chimica, o attraverso una sintesi mirata. Durante il lavoro di tesi ci siamo focalizzati su due biomolecole legate a diverse patologie: il Fattore di Necrosi Tumorale alfa (TNFalpha), e la dopamina. TNFalpha è una piccola proteina appartenente alla famiglia delle citochine, e, nello specifico, è una citochina pro-infiammatoria, con un ruolo attivo ben documentato nei processi di infiammazione, nell’apoptosi cellulare, nell’angiogenesi, nella metastasi tumorale e nella morfogenesi. La dopamina è una piccola molecola appartenente alla famiglia delle catecolamine; è un neurotrasmettitore, e bassi livelli fisiologici sono spesso legati all’insorgenza del morbo di Parkinson. Nella prima parte, abbiamo dimostrato come un Transistor Organico a Effetto di Campo modulato attraverso una soluzione elettrolitica (EGOFET) sia ultrasensibile e specifico per la rilevazione di TNFalpha, grazie al forte accoppiamento capacitivo tra l’elettrodo di gate e il semiconduttore organico, e all’intrinseca capacità di amplificazione del segnale. Abbiamo confrontato due strategie di riconoscimento diverse: nella prima, l’anticorpo anti-TNFalpha è stato immobilizzato sull’elettrodo di gate mediante una proteina G His-tag, mentre nella seconda un aptamero pepdidico anti-TNFalpha è stato immobilizzato direttamente sulla superficie dell’elettrodo di gate. Il sensore basato su EGOFET funziona con soluzioni tampone a composizione semplice, e con campioni reali, e mostra una risposta super esponenziale a concentrazioni al di sotto di 1 nM (il limite di rilevabilità è 100 pM utilizzando gli anticorpi e 300 fM utilizzando l’aptamero peptidico). La sensibilità del dispositivo è massima nell’intervallo di concentrazioni clinicamente rilevanti, e può essere migliorata facendo lavorare il sensore in regime di sub-threshold. Il sensore basato su EGOFET è stato infine utilizzato per studiare dal punto di vista termodinamico il meccanismo di riconoscimento tra un anticorpo umano e il suo antigene, e tra un aptamero peptidico e il suo antigene. Nella seconda parte, abbiamo mostrato un sensore completamente organico capace di rilevare livelli fisiologici di dopamina in soluzioni tampone sfruttando il suo comportamento simile a quello delle sinapsi. Il sensore organico è costituito da due elettrodi di PEDOT:PSS (poly-3,4-ethylene-di-oxy-thiophene:polystyrene sulphonate) modellati attraverso ablazione laser sulla superficie di un substrato morbido e flessibile costituito di PDMS (poly-di-methyl-siloxane). Il meccanismo di rilevazione consente di distinguere la dopamina dal suo principale agente interferente, l’acido ascorbico
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Abstract
Bio-recognition is a fundamental mechanism in biological processes in living systems, and it is widely exploited in technological and health applications. Organic Electronics is an emerging technology perfectly suited to connect electrical and biological worlds, thanks to biocompatibility of many used materials, capability of working in liquid environment, flexibility and ease of fabrication. Main innovative feature of Organic Electronics is the idea that materials properties of the different components can be tuned through chemical modification, or designed synthetic procedures. During thesis work we focused on the detection of two biomolecules related to different diseases, Tumor Necrosis Factor alpha (TNFalpha) and dopamine. TNFalpha is a small protein of the cytokines family, and, in particular, is a pro-inflammatory cytokine with well documented roles in inflammation, apoptosis, proliferation, angiogenesis, metastasis and morphogenesis; dopamine is a small molecule of the catecholamine family. Dopamine is a neurotransmitter and low physiological levels are related to Parkinson’s disease. In the first part, we demonstrate that the Electrolyte Gated Field-Effect Transistor (EGOFET) is an ultrasensitive and specific device for the detection of TNFalpha, thanks to the strong capacitive coupling between gate electrode and organic semiconductor, and to its intrinsic amplification capability. We compare two different detection strategies: first with anti-TNFalpha Antibody immobilized on the gate electrode surface through His-tag Protein G, and second with Peptide Aptamer anti-TNFalpha directly immobilized on the gate electrode. The EGOFET sensor works in simple buffered solutions as well as in real samples, and exhibits super exponential response below 1 nM (minimum detection level 100 pM for antibody and 300 fM for the peptidic aptamer). The sensitivity is maximum in the range of clinically-relevant concentrations and can be enhanced by operating the EGOFET in the sub-threshold regime. Finally, we use the device to study the thermodynamics of biomolecular recognition between a human antibody and its antigen and between a peptide aptamer and its antigen. In the second part, we show a whole organic sensor able to detect physiological levels of dopamine in buffered solutions exploiting its intrinsic synapse-like behavior. The whole organic artificial synapse is made of two PEDOT:PSS (poly-3,4-ethylene-di-oxy-thiophene:polystyrene sulphonate) electrodes patterned directly through laser ablation onto a soft and flexible PDMS (poly-di-methyl-siloxane) substrate. The detection mechanism can successfully distinguish between dopamine and its principal interfering agent, ascorbic acid
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