일회용 생화학 센서로 분해성 재료로 인쇄된 유기 전기화학 트랜지스터

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11467(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

과도 전자 장치는 특히 제한된 수명만 요구하는 응용 분야에서 전자 폐기물을 줄이는 데 유망합니다. 다양한 분해성 전자 및 물리적 감지 장치가 제안되면서, 분해성 생화학 센서 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이 연구에서는 환경 및 생체 흡수성 기판에 인쇄된 분해성 전극을 갖춘 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)의 개발을 제시합니다. 변환기의 접점, 채널 및 게이트, 즉 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS) 및 탄소에 대한 설계 및 재료의 영향은 OECT 기반 과도 현상 개발을 위해 체계적으로 평가됩니다. 바이오 센서. 전기화학 트랜지스터의 감지 기능은 이온 용액과 효소 기반 포도당 검출을 통해 입증됩니다. 일회용 OECT는 비분해성 OECT와 비슷한 성능을 보여줍니다. 전도성이 높고 인쇄 가능한 아연 트랙과의 통합이 상호 연결 구현을 위해 연구되었습니다. 이러한 친환경 OECT는 일회용 및 지속 가능한 생화학 센서로 응용될 수 있으며 생체 흡수성 바이오 센서를 향한 한 단계를 구성할 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 현장 검사1,2, 웨어러블3,4 또는 이식된 바이오센서5를 통한 지속적인 모니터링 애플리케이션을 대상으로 원활하고 저렴하며 신뢰할 수 있는 바이오센서에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있습니다. 이러한 맥락에서 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 전위차, 전류 측정 또는 ISFET(이온 감지 전계 효과 트랜지스터) 기반 센서에 대한 유망한 대안으로 등장했습니다6. OECT에 대한 최근 관심은 기계적으로 호환되는 기판7, 높은 트랜스컨덕턴스8, 참조 없는 작동9 및 단순화된 미세유체 통합10과의 호환성에 의해 동기가 부여되었습니다. OECT의 높은 신호 증폭 특성을 활용하여 다양한 분석물질의 정밀한 모니터링이 입증되었습니다. 예를 들어 pH11, 나트륨 및 칼륨과 같은 전해질12, 포도당 및 젖산염13을 포함한 대사물질13 또는 도파민이나 에피네프린14,15과 같은 신경전달물질 감지 등이 있습니다. OECT는 3개의 단자(소스, 드레인, 게이트)로 구성됩니다. 소스 및 드레인 접점은 일반적으로 금이나 은과 같은 금속으로 제작되며 채널은 소스와 드레인을 연결하는 전도성 폴리머 층으로 구성됩니다. 채널은 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)16을 기반으로 하는 경우가 가장 많지만, 폴리피롤과 같은 다른 재료도 연구되었습니다8. 게이트 전극을 제조하는 데 다양한 재료가 사용되었지만 게이트 제조에는 은/염화은 또는 백금이 가장 일반적으로 선택됩니다8. 게이트와 채널은 전해질(액체 또는 젤 형태)과 접촉하고 있으며, 양의 게이트 전위가 가해지면 전해질의 양이온이 채널로 확산되고, PSS 도펀트의 음이온을 보상하여 전도성 폴리머를 탈도핑합니다. 이 상대적으로 간단한 아키텍처는 평면 설계 및 미세 유체 시스템 또는 복잡한 유기 전자 회로로의 고밀도 통합과 호환됩니다.

유리하게는, 특히 전도성 채널의 OECT 제조는 솔루션 기반 제조 방법 및 적층 제조와 호환되므로 유연한 기판에서 비용 효율적인 제조 및 신속한 프로토타이핑이 가능합니다. 이는 OECT 제조에 사용할 수 있는 재료 조합, 특히 분해성 재료 사용 측면에서 새로운 가능성을 열어줍니다. 분해 가능한 전자 장치는 관심 있는 환경에서 통제된 시간 내에 해당 환경에 유해한 부산물을 방출하지 않고 자발적으로 분해될 수 있는 전자 시스템 및 구성 요소를 의미합니다18. 전자 폐기물의 양이 발생하고 연결된 사물 인터넷(IoT) 장치의 수가 폭발적으로 증가함에 따라 서비스 수명이 며칠에서 몇 달에 이르는 임시 전자 시스템에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 완전히 분해 가능한 기능 장치(예: 안테나20, 배터리21), 물리적 센서 및 환경 센서22,23의 제조가 발전했지만 분해성 바이오센서에 대한 조사는 상대적으로 제한적입니다.