Riassunto analitico
Nell'ultimo decennio, i dispositivi elettronici in grado di amplificare la corrente, come i transistor, sono stati ampiamente studiati per applicazioni nel campo dei biosensori, non solo per le loro piccole dimensioni e facilità di integrazione in dispositivi elettronici portatili, ma anche l’elevata sensibilità. In una prospettiva di fabbricazione su larga scala, i transistor a base di silicio più performanti sono associati ad elevati costi di produzione, e questo limita il loro utilizzo come applicazioni usa e getta. L'utilizzo di materiali organici ha aperto nuovi e più semplici modi di fabbricazione, riducendo drasticamente i costi di produzione associati e aprendo alla possibilità di realizzare dispositivi flessibili e altamente biocompatibili.
Nel corso degli anni sono stati sviluppati nuovi tipi di architetture, tra cui il transistor a effetto di campo organico a elettrolita (EGOFET). A causa del suo basso potenziale di funzionamento (<1 V) e della possibilità di funzionare in mezzi acquosi, gli EGOFET hanno dimostrato di essere candidati ideali per la prossima generazione di biosensori adatti per l'individuazione e la quantificazione di molecole biologiche.
Il principio di funzionamento di questi dispositivi risiede nei due doppi strati elettrici (EDL – Electrical Double Layer) tra due interfacce, l'elettrodo di gate / elettrolita e l'elettrolita / semiconduttore organico, creando una grande capacità che riduce il potenziale necessario per operare questi transistor. Le modifiche nella struttura dell'EDL (nel caso di immunobiosensori, il legame dell'anticorpo-antigene) inducono un cambiamento nella capacità, che aumenta la sensibilità generale del dispositivo. Funzionalizzando l'elettrodo di gate con anticorpi specifici o gruppi funzionali, gli EGOFET possono rilevare quantità di antigene presenti in soluzione anche nel range sub-pM, utilizzando ridotti volume di campione.
L’obiettivo principale di questa tesi consiste nel testare nuove tecniche di fabbricazione, sviluppo di nuove architetture di dispositivi per la portabilità e applicazioni pratiche nel campo dei biosensori.
Un dispositivo lab-on-chip è stato ottenuto dall'integrazione tra un EGOFET e un canale microfluidico con perfusione controllata da una pompa peristaltica. Il nuovo approccio proposto di modellare quattro elettrodi di gate d'oro e di funzionalizzarne tre con specifici gruppi di riconoscimento, ha permesso di rilevare diverse concentrazioni del fattore di necrosi tumorale (TNF-α) dei biomarcatori infiammatori in soluzione tampone, migliorando sia la statistica relativa al campionamento che il controllo della risposta non specifica. Gli approcci sviluppati nel corso della tesi sono facilmente riaddatibili ad altre coppie anticorpo/analita, cistituendo pertanto una vera e propria piattaforma biosensoristica.
Qui l'EGOFET è stato anche esplorato attraverso un nuovo tipo di architettura che agisce come un interruttore molecolare elettrochimico, imitando il comportamento di un dispositivo di memoria.
La possibilità di operare con bassi potenziali e in ambiente liquido rende EGOFET tra i dispositivi ideali da interfacciare con sistemi viventi e potenzialmente impiantabili.
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Abstract
In the past decade, electronic devices capable of amplifying current, such as transistors, have been widely and intensively investigated for applications in biosensing field, not only due to their small size and ease to be integrated into portable electronic devices, but as well for being highly sensitive to surface changes. On a large scale fabrication perspective, a more performant silicon-based transistors are associated with high cost of production, being not of interest for applications in disposable sensors. The use of organic materials opened new and easier ways of fabrication, drastically reducing the associated production costs, making the Organic Field-effect Transistors (OFETs) a highly investigated element for sensing applications.
Throughout the years, new types of architectures have been developed, one of them being the Electrolyte-Gated Organic Field Effect Transistor (EGOFET). Due to its low operation potential (i.e. <1V) and the possibility to function in aqueous media, the EGOFETs showed to be ideal candidates for the next generation of biosensors suitable for the detection and quantification of biological molecules.
The principle of operation of these devices resides into the two electrical double layers (EDLs) between two interfaces, the gate electrode/electrolyte and electrolyte/organic semiconductor, creating a large capacitance (few hundreds of µF/cm2) which lowers the potential necessary to operate these transistors. Modifications in the structure of the EDL (i.e. binding of antibody-antigen) induce a change in capacitance, which increases the overall sensitivity of the device. Functionalising the gate electrode with specific antibodies or functional groups, the EGOFETs can sense their binding with the target antigens present inside the electrolyte.
The main focus of this thesis resides in testing new fabrication techniques, development of novel device architectures for portability and practical applications in the biosensing field.
A lab-on-chip device was obtained by the integration between an EGOFET and a microfluidic channel featuring perfusion controlled by a peristaltic pump. The proposed novel approach of patterning four top gold gate electrodes and functionalising three of them with specific recognition moieties allowed the detection of different concentrations of the inflammatory biomarker Tumor Necrosis Factor (TNF-α) in buffer solution, improving the statistics relative to the detection of biomarker of interest, as well as an internal control over non-specific binding. The technological approaches developed during this thesis are easily adaptable to other antibody/antigene families, providing in this way an ample and solid biosensor platform.
Here the EGOFET has also been explored through new architecture type acting as an electrochemical molecular switch, mimicking the behaviour of a memory device.
The possibility of operating with low potentials and in liquid environment makes EGOFETs ideal devices to be interfaced with living systems, and potentially implantable as well.
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