Interdigitated organic electrochemical transistors for biosensing

Liang, Yuanying; Pich, Andrij; Offenhäusser, Andreas

doi:38762

Interdigitated organic electrochemical transistors for biosensing

Liang, Yuanying^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yuanying Liang Master of Science in Polymer Processing and Engineering

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (VIII, 109 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-10802
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/772868/files/772868.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aptamer (frei) ; chemical sensing (frei) ; electrophysiological sensing (frei) ; interdigitated organic electrochemical transistors (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Entwicklung von Transistoren mit hoher Signalverstärkung ist entscheidend für Anwendungen, bei denen extrazelluläre Aktionspotenziale von elektrogenen Zellen oder chemische Signale erfasst werden. Organische elektrochemische Transistoren (OECTs) haben sich in jüngster Zeit aufgrund ihrer deutlichen Vorteile gegenüber anderen Sensorsystemen als leistungsstarke elektrophysiologische Sensoren herausgestellt. Sie ermöglichen die direkte Kommunikation zwischen dem leitenden Polymerkanal und dem Elektrolyten durch den Austausch von Ionen, sind biokompatibel, transparent und besitzen eine hohe Transkonduktanz. Die Transkonduktanz von OECTs hängt entscheidend vom Breiten-Längen-Verhältnis des Drain-Source-Kanals und der Schichtdicke des organisch leitenden Polymers ab. Herkömmliche OECTs weisen große Kanalabmessungen und einen dicken Polymerfilm auf, was zu langsamen Ansprechzeiten und geringen Bandbreiten führt. Daher wurden in dieser Arbeit interdigitierende OECTs (iOECTs) entwickelt, die sowohl eine hohe Transistorleistung als auch eine hohe Gerätedichte ermöglichen. Diese wurden anschließend für die Herstellung von biologische und chemische Sensoren verwendet. Zunächst wurde der Einfluss der Kanalgeometrie auf die elektrische Leistung von interdigitierenden OECTs (iOECTs) untersucht. Eine Leistung wurde durch die systematische Optimierung des Elektrodenlayouts hinsichtlich Kanallänge, Anzahl der Elektrodenfinger und Elektrodenbreite optimiert. Interessanterweise skaliert die maximale Transkonduktanz (Gmax) nicht direkt mit dem Verhältnis aus Kanalbreiten zu Längen, im Gegensatz zu planaren OECTs. Diese Abweichung wird durch den dominierenden Einfluss des Source-Drain-Serienwiderstandes Rsd bei kurzkanaligen Bauelementen verursacht. Bemerkenswert ist, dass eine kritische Kanallänge von 15 µm existiert, oberhalb derer der Kanalwiderstand Rch dominiert und die Eigenschaften der iOECTs in Richtung planaren OECTs konvergieren. Es werden Designregeln für die Entwicklung von leistungsfähigen iOECTs vorgeschlagen und getestet, indem Aktionspotenziale von kardiomyozytenähnlichen HL-1-Zellen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis erfasst werden. Die oben genannten Ergebnisse zeigen, dass interdigitierende OECTs zwei Anforderungen bioelektronischer Anwendungen erfüllen, nämlich hohe Empfindlichkeit und kleine Kanaldimensionen. Flexible und transparente elektronische Bauelemente haben entscheidende Vorteile für bioelektronische Anwendungen gegenüber herkömmlichen siliziumbasierten Systemen, da sie sich an nicht-planare Oberflächen anpassen können, weniger chronische Immunreaktivität verursachen und eine optische Untersuchungen durch die Bauelemente hindurch erlauben. Daher wurden die iOECTs auf flexible Polyimidsubstrate aufgebracht, um in vitro Aktionspotenziale zu erfassen. Dafür wurden ein Prozess für die Wafer-skalige Herstellung der flexiblen iOECTs entwickelt. Die erhaltenen Bauelemente weisen eine Transkonduktanzen von 12 mS/V und ein Ein- zu Auschaltverhältnis von ~105 auf, was dem Stand der Technik für solide Bauelemente entspricht sind und anderen flexiblen OECTs überlegen ist. Die Bauelementeigenschaften bleiben auch nach extrem hoher Biegebeanspruchung erhalten. Die Leistungsfähigkeit der flexiblen iOECTs wird wiederum durch die Abbildung von kardialen Aktionspotenzialen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis belegt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Leistung flexibler iOECTs mit OECTs auf Festkörpersubstraten konkurrieren und somit potenziell für in-vivo-Anwendungen genutzt werden kann. iOECTs haben nicht nur ein großes Potenzial zur Erfassung elektrophysiologischer Signale, sondern auch für die Verwendung als chemischer Sensoren. Herkömmliche elektrochemische Aptamer-Rezeptor-Signalwandlersysteme zur Detektion verschiedener Arten von Analyten sind oft durch eine geringe Rezeptordichte an der Sensoroberfläche und hohe Hintergrundsignale in ihrer Empfindlichkeit begrenzt. Ein iOECTs-basierter Aptasensor wird als Transducer zum Nachweis niedermolekularer ATP Moleküle verwendet und mit einem herkömmlichen amperometrischen Aptasensor hinsichtlich Empfindlichkeit und dynamischem Detektionsbereich verglichen. Werden die iOECTs als Sensoren betrieben, so werden Änderungen des Potentials der Steuerelektrode erfasst, die durch die Bindung des Analyten an den Aptamerrezeptor induziert werden. Schon geringe Modulationen des Steuerelektrodenpotentials führen aufgrund der Verstärkungseigenschaften der iOECTs zu einer deutlichen Variation des Kanalstroms, der als Messsignal registriert wird. Dieser neuartige Aptasensor kann selektiv ATP mit ultrahoher Empfindlichkeit bis hinunter zur Konzentration von 10 pM nachweisen, die um mehrere Größenordnungen niedriger ist als die Nachweisgrenze desselben Aptasensors unter Verwendung eines amperometrischen Wandlerprinzips (Nachweisgrenze von 93 nM). Auch gegenüber den meisten anderen zuvor berichteten elektrochemischen Sensoren weist dieser Sensor eine niedrigere Nachweisgrenze auf trotz seines einfachen Präparations- und Arbeitsweise. Darüber konnte die Regeneration und Wiederverwendbarkeit des Aptasensors demonstriert werden. Die geringe Größe der iOECTs in Kombination mit deren hohen Empfindlichkeit (Transkonduktanz) legt eine Verwendung dieser Bauelemente für die Entwicklung hochempfindlicher integrierter Mikrobiosensoren für Point-of-Care-Anwendungen nahe.

The development of transistors with high gain is crucial for applications where extracellular potentials of electrogenic cells or chemical signals are recorded. Organic electrochemical transistors (OECTs) have recently emerged as versatile electrophysiological sensors due to their distinct advantages compared to other sensing systems, including direct communication via ions between the conducting polymer channel and electrolyte, biocompatibility, transparent channel material, and high transconductance. The transconductance of OECTs critically depends on the width-to-length ratio of the drain-source channel and the thickness of organic conducting polymer. Conventional OECTs require large channel dimensions and thick polymer film, which results in slow operation. Therefore, in this thesis, interdigitated OECTs (iOECTs) were developed to obtain high transistor performance and high device density and were utilized for biological and chemical sensing.First, the effect of channel geometry on the electrical performance of interdigitated OECTs (iOECTs) was investigated. A superior device performance is achieved by systematically optimizing the electrode layout regarding channel length, number of electrode fingers, and electrode width. Interestingly, the maximum transconductance (gmax) does not straightforwardly scale with the channel width-to-length ratio, which is different from planar OECTs. This deviation is caused by the dominating influence of the source-drain series resistance Rsd for short channel devices. Noteworthy, there is a critical channel length (15 µm), above which, the channel resistance Rch becomes dominant and the device characteristics converge towards those of planar OECTs. Design rules for engineering the performance of iOECTs are proposed and tested by recording action potentials of cardiomyocyte-like HL-1 cells with high signal-to-noise ratio. The above results demonstrate that interdigitated OECTs meet two requirements of bioelectronic applications, namely high device performance and small channel dimensions. Flexible and transparent electronic devices possess crucial advantages over conventional silicon based systems for bioelectronic applications since they are able to adapt to non-planar surfaces, cause less chronic immunoreactivity, and facilitate easy optical inspection. Therefore, the iOECTs were embedded in a flexible matrix of polyimide to record cardiac action potentials. The wafer-scale devices were firstly fabricated. Considering the transfer characteristics of iOECTs, the flexible device exhibits transconductances (12 mS/V) and drain-source on/off ratio (~105) comparable to state of the art non-flexible and superior to other reported flexible OECTs. The transfer characteristics of the device are preserved even after experiencing extremely high bending strain and harsh crumpling. The excellent device performance is proved by mapping the propagation of cardiac action potentials with high signal-to-noise ratio. These results demonstrate that the electrical performance of flexible OECTs can compete with hard-material-based OECTs and thus potentially be used for in vivo application. IOECTs do not only have great potential for recording of electrophysiological signals but also for chemical sensing. Conventional electrochemical aptamer receptor/transducer systems for the detection of various kinds of targets are often limited by the low density of receptors attached to the sensor surface and high background signals. An iOECTs-based aptasensor is used as a transducer to detect the light molecule (ATP) and compared with a conventional amperometric aptasensor regarding sensitivity and dynamic detection range. When operated as a sensor, the OECT senses modulations of the gate electrode potential induced by binding of the analyte to the aptamer receptor. Even minor changes of the gate potential cause a pronounced response of the channel current due to the amplification characteristics of the OECT. This novel aptasensor can selectively detect ATP with ultrahigh sensitivity down to the concentration of 10 pM, which is several orders of magnitude lower than the detection limit of the same aptasensor using an amperometric transducer principle (limit-of-detection of 93 nM) and even most of other previously reported electrochemical sensors. Furthermore, sensor regeneration is demonstrated, which facilitates reusability of the aptasensor. The small device size in combination with high transconductances paves the way for the development of highly sensitive integrated micro-biosensors for point-of-care applications.

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