Fuerzas eléctricas para caracterizar futuros dispositivos electrónicos biocompatibles

Una colaboración conjunta entre el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona(ICMAC) y la Universidad de Manchester han logrado crear un mapa de las propiedades eléctricas de las interfaces eléctricas de biosensores orgánicos / electrolitos a nanoescala midiendo las fuerzas eléctricas locales.

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Representación esquemática de la configuración de microscopía dieléctrica de barrido en líquido utilizada para medir las propiedades eléctricas locales de un transistor de efecto de campo orgánico activado por electrolito (EGOFET) en funcionamiento. La punta afilada del electrodo montada en el sensor de fuerza  puede detectar las propiedades eléctricas locales de la interfaz semiconductor / electrolito cuando se utilizan frecuencias en el rango de MHz.

 

Los biosensores electrónicos basados en materiales orgánicos pronto podrían hacer un sueño realidad de aparatos electrónicos de bajo coste, desechables, flexibles y biocompatibles para la interacción con sistemas biológicos.

Actualmente los biosensores electrónicos basados en materiales orgánicos están evolucionando a un ritmo muy rápido. Los dispositivos bioelectrónicos orgánicos como el Transistor de Efecto de Campo Orgánico controlado por Electrolitos (EGOFET) o el Transistor Electroquímico Orgánico (OECT) pueden hacer pronto realidad el sueño de dispositivos electrónicos de bajo coste, desechables, flexibles y biocompatibles para la interacción con sistemas biológicos. Aplicaciones basadas en estos transistores, como los biosensores orgánicos implantables para registrar la actividad eléctrica de las neuronas en condiciones in-vivo, o el desarrollo de pieles electrónicas protésicas basadas en biosensores orgánicos, son ya una realidad en los laboratorios de investigación y ofrecen grandes promesas para aplicaciones médicas en un futuro cercano.

Microscopía basada en fuerzas eléctricas para la optimización de dispositivos

Pese a los avances realizados, para poder llevar estos dispositivos de los laboratorios de investigación al mercado se requiere una mayor optimización. El desarrollo de muchos de estos dispositivos actualmente se ve obstaculizado por la dificultad de visualizar los procesos eléctricos y electroquímicos que ocurren en la interfase entre el biosensor, la solución líquida y el sistema biológico de interés a escalas muy pequeñas (la nanoescala). En este estudio, se ha dado un importante paso para resolver este problema. Específicamente, se ha demostrado que la conductividad y la capacitancia interfacial de las interfaces de biosensor orgánico / electrolito se pueden mapear con resolución espacial a nanoescala en un biosensor orgánico en condiciones de funcionamiento completo. Para conseguirlo, ha sido clave una técnica de microscopía desarrollada hace algunos años en el grupo de Caracterización Bioeléctrica a Nanoescala del IBEC liderado por el Prof. Gabriel Gomila, Profesor de la Universidad de Barcelona. Esta técnica, conocida como microscopía dieléctrica de barrido en líquido, puede probar las propiedades eléctricas de las interfaces sólido / electrolito midiendo la fuerza eléctrica entre una punta muy afilada montada en un microscópico especial y la superficie del biosensor.

Para eliminar los efectos de apantallamiento y disipación producidos por las soluciones líquidas con iones, se utilizan frecuencias en el rango Mega Hertz. La medición de fuerzas eléctricas en lugar de corrientes eléctricas, como hacen otras técnicas, proporciona una sensibilidad y una resolución espacial incomparables a la microscopía de fuerza dieléctrica de barrido en líquido. En el presente trabajo, se obtuvieron imágenes por primera vez de cómo los electrones se acumulan en la interfaz biosensor / electrolito cuando se aplica un voltaje externo (puerta) a un EGOFET operativo y cómo una capa aislante ultrafina nanoestructurada de solo unos pocos átomos de espesor está presente en su superficie y determina el rendimiento del dispositivo. El EGOFET analizado en este estudio fue desarrollado en el grupo de la Dra. Marta Mas Torrents del ICMAB y tiene la capacidad de registrar la actividad bioeléctrica de células excitables eléctricas.

Este estudio, al visualizar las propiedades eléctricas de las interfases de biosensores que hasta ahora habían permanecido invisibles, ofrece nuevas vías para la optimización del rendimiento de los dispositivos de biosensores orgánicos y allana el camino para su adopción más rápida en aplicaciones en el ámbito médico.

Figura: Imágenes de fuerza eléctrica adquiridas a distancias decrecientes desde el canal de un Transistor de Efecto de Campo Orgánico controlado por Electrolitos (EGOFET) en funcionamiento. En las distancias más cercanas (abajo), las propiedades eléctricas a nanoescala heterogéneas del canal emergen y se vuelven visibles y medibles.

Artículo de referencia: Adrica Kyndiah, Martí Checa, Francesca Leonardi, Ruben Millan‐Solsona, Martina Di Muzio, Shubham Tanwar, Laura Fumagalli, Marta Mas‐Torrent, Gabriel Gomila. Nanoscale Mapping of the Conductivity and Interfacial Capacitance of an Electrolyte‐Gated Organic Field‐Effect Transistor under Operation. Advanced Functional Materials, 2020.