Riassunto analitico
Biosensors are analytical devices that measure biological or chemical reactions by generating signals proportional to the concentration of an analyte and are employed in applications such as disease monitoring, drug discovery, and detection of pollutants. Electrolyte-Gated Organic Field Effect Transistors (EGOFETs) have been proposed in the recent years as novel platforms for label-free organic analytes detection, especially for been capable to operate in aqueous media. Modifications in the structure of two electrical double layers (EDLs), found at the interfaces between the gate electrode/electrolyte and electrolyte/organic semiconductor, like the binding of an antigen to an antibody, mutate the behavior of the device. In this study I report the experimental work to develop enantioselective EGOFET. The functionalization protocol was tailored to achieve optimal coverage of the sensing electrode in order to detect only one of the two chiral forms of the selected analyte while discriminating the other one. The testing device was obtained integrating an EGOFET with a microfluidic channel, whereas the perfusion flowrate was controlled by a peristaltic pump. Electrodes supports and other elements were designed using CAD software and 3D printed in order to facilitate and automatize operations. Various methods and techniques were explored for the functionalization of the gates, finally brining to a protocol that first implies the formation of a two thiols blend Self-Assembled Monolayer on the surface of the gold, and then the linkage of antibodies on the latter. L and D-Tryptophan, the two chiral forms of the aminoacid, were chosen as analytes, with antibody providing different affinity constant for the two forms. As for the semiconductor, 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-Pentacene) was used. The performance and sensing effectiveness of the device was investigated trough electrical characterization of the transistor, obtaining transfer curves and extrapolating parameters (threshold voltage and transistor signal) useful to understand the dependence of the current response with respect to analyte concentration and define a dose curve. The resulting protocol showed to be capable of producing an EGOFET sensible to L-Tryptophan already at a concentration of 50pM while showing little to no response to 10mM of D-Tryptophan. In addition, same electrodes that were firstly incubated in a D-Tryptophan solution and then in one containing the L form, showed a significative signal difference, between measurement taken after each incubation, of nearly 65 folds with a p = .0003 . It’s however suggested to deepen the study in order to strengthen these findings and improve the variability between devices during the fabrication steps.
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Abstract
I biosensori sono dispositivi analitici che misurano reazioni biologiche o chimiche generando segnali proporzionali alla concentrazione di un analita e sono impiegati in applicazioni come il monitoraggio delle malattie, la drug discovery e il rilevamento di sostanze inquinanti. Negli ultimi anni transistor organici a effetto di campo elettrolitico (EGOFET) sono stati proposti come nuovi strumenti per il rilevamento di analiti organici "label-free", in particolare per il fatto di essere in grado di operare in mezzi acquosi. Modifiche nella struttura di due doppi strati elettrici (EDL), riscontrate alle interfacce tra elettrodo gate/elettrolita e elettrolita/semiconduttore organico, come il legame di un antigene con un anticorpo, mutano il comportamento del dispositivo. In questo studio riporto il lavoro sperimentale atto a sviluppare un EGOFET enantioselettivo. Il protocollo di funzionalizzazione è stato adattato per ottenere una copertura ottimale dell'elettrodo di rilevamento al fine di rilevare solo una delle due forme chirali dell'analita selezionato discriminando l'altra. Il dispositivo di prova è stato ottenuto integrando un EGOFET con un canale microfluidico, mentre la portata di perfusione è stata controllata da una pompa peristaltica. Supporti per elettrodi e altri elementi sono stati progettati utilizzando software CAD e stampati in 3D per facilitare e automatizzare le operazioni. Sono stati esplorati vari metodi e tecniche per la funzionalizzazione degli elettrodi, portando infine a un protocollo che implica prima la formazione di un monostrato autoassemblato di una miscela di due tioli sulla superficie d'oro, e successivamente legare gli anticorpi su quest'ultimo. L e D-triptofano, le due forme chirali dell'aminoacido, sono stati scelti come analiti, e un anticorpo che fornisce una costante di affinità diversa per le due forme. Per quanto riguarda il semiconduttore, è stato utilizzato il 6,13-Bis(triisopropilsililetinil)pentacene (TIPS-Pentacene). Le prestazioni e l'efficacia di sensing del dispositivo sono state studiate attraverso la caratterizzazione elettrica del transistor, ottenendo curve di trasferimento ed estrapolandone i parametri (tensione di soglia e segnale del transistor) utili a comprendere la dipendenza della risposta della corrente rispetto alla concentrazione dell'analita e definire una curva di dose. Il protocollo risultante ha dimostrato di essere in grado di produrre un EGOFET sensibile all'L-triptofano già a una concentrazione di 50 pM mentre mostrava poca o nessuna risposta a 10 mM di D-triptofano. Inoltre, gli stessi elettrodi che sono stati prima incubati in una soluzione di D-triptofano e poi in una contenente la forma L, hanno mostrato una differenza di segnale significativa, tra le misurazioni effettuate dopo ogni incubazione, di quasi 65 volte con p = .0003. Si suggerisce tuttavia di approfondire lo studio al fine di rafforzare questi risultati e migliorare la variabilità tra i dispositivi durante le fasi di fabbricazione.
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