Printed Biosensor Based on Organic Electrochemical Transistor

Abstract

Organické elektronické zariadenia sú vyvíjané ako vhodné riešenia senzorov pre bioelektroniku, a to najmä kvôli dobrej biokompatibilite organických polovodičov v nich použitých. Takzvané biosenzory dokážu premeniť elektrochemické procesy na elektronický signál. Matrica takýchto biosenzorov môže simultánne skenovať množstvo biologických vzoriek, alebo rôznych tkanív v živých systémoch. Aktívnou súčasťou zariadenia je organický elektrochemický tranzistor (OECT). V tejto práci je diskutovaný teoretický rámec fungovania takéhoto zariadenia, jeho elektrická charakterizácia, aplikácia v biosenzoroch na báze buniek, spôsoby výroby a aktuálnym stavom techniky v oblasti organickej elektroniky. Experimentálna časť obsahuje konkrétne výrobné postupy vývoja OECT zariadení, ktoré boli použité v našom laboratóriu. Hlavný dôraz sa kladie na schopnosť vyrobených zariadení detekovať reakciu a monitorovať stimuláciu elektrogenných buniek. Za týmto účelom boli vyvinuté matice mikroelektródových OECT zariadení založených na polovodivom polyméri PEDOT:PSS. Tieto boli vyrobené s využitím bežnými tlačiarenských techník (atramentová tlač a sieťotlač) spolu so štandardnými litografickými postupmi. Najnovšie nami vyvinuté zariadenia dosahujú najväčšieho zosílením signálu, g = 2,5 mS a časovú konštantu t = 0,15 s. Tieto zariadenia sú porovnateľné, často dokonca lepšie ako niektoré iné najmodernejšie a plne litograficky pripravené senzory.Organic electronic devices arise as a suitable solution for bioelectronics sensor development, due to the good biocompatibility of organic semiconductors. So-called biosensors can convert electrochemical processes into an electronic signal. A matrix of such biosensors can simultaneously scan a number of biological samples or tissues of the living systems. The active part of the device is an Organic Electrochemical Transistor (OECT). In this work, the theoretical background on such device and its characterization, application in cell-based biosensors, methods of fabrication together with the current state of the art in the field of organic electronics are discussed. The experimental part contains specific manufacturing procedures of OECT devices development employed. The main emphasis is given on the ability of produced devices to detect response and monitor the stimulation of electrogenic cells. To this end, microplate patterns with a multielectrode array of OECTs based on the semiconductive polymer PEDOT:PSS was developed and fabricated using conventional printing methods (inkjet printing and screen printing). Standard lithographic procedures were also employed. The latest devices with the highest achieved signal amplification of g = 2.5 mS and the time constant of t = 0.15 s were produced. These are comparable or even better than some state of the art fully lithographically prepared ones.