使い捨て生化学センサーとして分解性材料から印刷された有機電気化学トランジスタ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11467 (2023) この記事を引用

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過渡エレクトロニクスは、特に限られた寿命しか必要としないアプリケーションにおいて、電子廃棄物の削減に期待されています。 さまざまな分解可能な電子的および物理的センシングデバイスが提案されていますが、分解可能な生化学センサーの開発への関心が高まっています。 この研究では、環境に優しく生体吸収性の基板上に印刷された分解性電極を備えた有機電気化学トランジスタ (OECT) の開発について紹介します。 トランスデューサーの接点、チャネル、ゲートの設計と材料、つまりポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリスチレンスルホン酸 (PEDOT:PSS) とカーボンの影響は、OECT ベースの過渡現象の開発のために系統的に評価されます。バイオセンサー。 電気化学トランジスタの感知能力は、イオン溶液や酵素ベースのグルコース検出でも実証されています。 使い捨て OECT は、非分解性 OECT と同等の性能を示します。 相互接続の実現のために、導電性の高い分解可能で印刷可能な亜鉛トラックとの統合が研究されています。 これらの環境に優しい OECT は、使い捨てで持続可能な生化学センサーとして応用できる可能性があり、生体吸収性バイオセンサーへの一歩となる可能性があります。

近年、シームレスで低コストで信頼性の高いバイオセンサーへの関心が着実に高まっており、ポイントオブケア検査 1,2、ウェアラブル 3,4 または埋め込み型バイオセンサー 5 による連続モニタリングなどの用途がターゲットとなっています。 これに関連して、有機電気化学トランジスタ (OECT) が、電位差測定、電流測定、またはイオン感受性電界効果トランジスタ (ISFET) ベースのセンサーの有望な代替品として浮上しています6。 OECT に対する最近の関心は、機械的に準拠した基板 7、高い相互コンダクタンス 8、リファレンスフリー動作 9、および簡素化されたマイクロ流体集積 10 との互換性によって動機付けられています。 OECT の高い信号増幅特性を活用して、さまざまな分析物の正確なモニタリングが実証されています。 例としては、pH11、ナトリウムやカリウムなどの電解質12、グルコースや乳酸塩などの代謝産物13、またはドーパミンやエピネフリンなどの神経伝達物質14、15のセンシングが含まれます。 OECT は 3 つの端子 (ソース、ドレイン、ゲート) で構成されます。 ソースおよびドレインのコンタクトは通常、金や銀などの金属で製造され、チャネルはソースとドレインを接続する導電性ポリマー層で構成されます。 このチャネルは、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリスチレンスルホン酸 (PEDOT:PSS) 16 に基づいていることがほとんどですが、ポリピロールなどの他の材料も検討されています 8。 ゲート電極の製造にはさまざまな材料が使用されていますが、ゲート製造には銀/塩化銀またはプラチナが最も一般的に選択されています8。 ゲートとチャネルは電解質（液体またはゲルの形）と接触しており、正のゲート電位が印加されると電解質からのカチオンがチャネルに拡散し、PSS ドーパントのアニオンを補償することによって導電性ポリマーを脱ドープします。 この比較的単純なアーキテクチャは、平面設計およびマイクロ流体システムまたは複雑な有機電子回路への高密度統合と互換性があります17。

有利なことに、OECT、特に導電性チャネルの製造は、溶液ベースの製造方法および積層造形と互換性があり、フレキシブル基板上でのコスト効率の高い製造およびラピッドプロトタイピングが可能になります10。 これにより、OECT の製造に使用できる材料の組み合わせ、特に分解性材料の使用に関して新たな可能性が開かれます。 分解性エレクトロニクスとは、対象の環境内で、制御された時間内に、その環境に有害な副産物を放出することなく自然に分解できる電子システムおよびコンポーネントを指します18。 懸念される量の電子廃棄物が発生し、接続されたモノのインターネット (IoT) デバイスの数が爆発的に増加している 19 ため、耐用年数が数日から数か月の一時的な電子システムへの関心が高まっています。 完全に分解可能な機能デバイス、つまりアンテナ20、バッテリー21、物理センサーおよび環境センサー22、23の製造は進歩しているが、分解可能なバイオセンサーに関する研究は依然として比較的限られている24。