Forces elèctriques per caracteritzar futurs dispositius electrònics biocompatibles

Una col·laboració conjunta entre l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAC) i la Universitat de Manchester ha aconseguit realitzar mapes de les propietats elèctriques de la interfície entre biosensors orgànics i medis electròlits a la nanoescala mesurant les forces elèctriques locals. Els biosensors electrònics orgànics podrien aviat fer realitat el desenvolupament d’aparells electrònics per a la interacció amb sistemes biològics de baix cost, d’un sol ús, flexibles i biocompatibles.

Read more…

 

Representació esquemàtica de la configuració del microscòpi dielèctric d’escombrat en medi líquid utilitzat per mesurar les propietats elèctriques locals d’un transistor d’efecte de camp orgànic electrolític (EGOFET) en funcionament. La punta afilada muntada en el sensor de força actua com a nanoelèctrode i pot detectar les propietats elèctriques locals de la interfície semiconductor / electròlit quan s’utilitzen freqüències en el rang dels MHz.

 

Actualment els biosensors electrònics basats en materials orgànics estan evolucionant a un ritme molt ràpid. Els dispositius bioelectrònics orgànics com el Transistor Orgànic d’Efecte de Camp Electrolític (EGOFET) o el Transistor Electroquímic Orgànic (OECT) podrien fer realitat aviat el somni de disposar de dispositius electrònics de baix cost, d´un sol ús, flexibles i biocompatibles per a la seva interacció amb els sistemes biològics. Actualment, existeixen ja aplicacions basades en aquests transistors en els laboratoris d’investigació com per exemple els biosensors orgànics implantables per enregistrar l’activitat elèctrica de les neurones in-vivo o el desenvolupament de pells electròniques prostètiques basades en biosensors orgànics, el que ofereix grans promeses per a aplicacions mèdiques en un futur proper.

Microscòpia basada en forces elèctriques per a l’optimització de dispositius orgànics operats en solucións d´electròlits

Tot i els avenços dels últims anys, portar aquests dispositius dels laboratoris d’investigació al mercat requereix de la seva optimització. El desenvolupament de molts d’aquests dispositius actualment es veu obstaculitzat per la dificultat de visualitzar els processos elèctrics i electroquímics que tenen lloc en la interfície entre el biosensor, la solució líquida i el sistema biològic d’interès a escales molt petites (la nanoescala). En aquest estudi, s’ha fet un important pas endavant per resoldre aquest problema de llarga durada. Específicament, s’ha demostrat que la conductivitat i la capacitància interfacial de la interfície entre el biosensor orgànic i l’electròlit es poden mapejar amb resolució espacial a la nanoescala en un biosensor orgànic en funcionament. Per aconseguir-ho, ha estat clau una tècnica de microscòpia desenvolupada fa alguns anys pel grup de Caracterització Bioelèctrica a Nanoescala de l’IBEC liderat pel Prof. Gabriel Gomila de la Universitat de Barcelona (UB). Aquesta tècnica, coneguda com a microscòpia dielèctrica de rastreig en líquid, permet caracteritzar les propietats elèctriques de les interfícies sòlides / electròlit mesurant la força elèctrica entre una punta molt afilada muntada en un microscòpic i la superfície del biosensor.

Per eliminar els efectes d’apantallament i dissipació produïts per les solucions líquides amb ions, s’utilitzen freqüències en el rang dels Mega Hertz. La mesura de forces elèctriques en lloc de corrents elèctrics, com fan altres tècniques, proporciona una sensibilitat i una resolució espacial incomparables a la microscòpia de força dielèctrica d’escombrat en líquid. En el present treball, per primer cop, es varen poder obtenir imatges de com els electrons s’acumulen a la interfície biosensor / electròlit quan s’aplica un voltatge extern a la porta d’un EGOFET operatiu, i com una capa aïllant ultrafina nanoestructurada de només uns pocs àtoms de gruix està present en la seva superfície i determina el rendiment del dispositu. L’EGOFET analitzat en aquest estudi va ser desenvolupat en el grup de la Dra. Marta Mas Torrents de l’ICMAB i té la capacitat de registrar l’activitat bioelèctrica de cèl·lules excitables elèctriques.

Aquest estudi, al permetre visualitzar les propietats elèctriques de les interfícies dels biosensors que fins ara havien romanien invisibles, ofereix noves vies per a l’optimització del rendiment dels biosensors orgànics i obre el camí per a la seva adopció més ràpida en aplicacions en l’àmbit mèdic.

 

Figura: Imatges de força elèctrica adquirides a distàncies decreixents del canal d’un Transistor d’efecte de Camp Orgànic Electrolític (EGOFET) en funcionament. A les distàncies més properes (a sota), les propietats elèctriques heterogènies del canal a la nanoescala emergeixen i es tornen visibles i mesurables.

 

Article de referència: Adrica KyndiahMartí ChecaFrancesca LeonardiRuben Millan‐SolsonaMartina Di MuzioShubham TanwarLaura Fumagalli,Marta Mas‐Torrent,Gabriel GomilaNanoscale Mapping of the Conductivity and Interfacial Capacitance of an Electrolyte‐Gated Organic Field‐Effect Transistor under Operation. Advanced Functional Materials, 2020.