Transistors électrochimiques organiques imprimés à partir de matériaux dégradables comme capteurs biochimiques jetables

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11467 (2023) Citer cet article

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L'électronique transitoire est prometteuse dans la réduction des déchets électroniques, en particulier dans les applications qui ne nécessitent qu'une durée de vie limitée. Alors que divers dispositifs de détection électroniques et physiques dégradables ont été proposés, le développement de capteurs biochimiques dégradables suscite un intérêt croissant. Dans ce travail, nous présentons le développement d'un transistor électrochimique organique (OECT) à électrodes dégradables, imprimé sur un substrat éco- et biorésorbable. L'influence de la conception et des matériaux des contacts, du canal et de la grille du transducteur, à savoir le poly (3,4-éthylène dioxythiophène) : polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS) et le carbone, est systématiquement évaluée pour le développement de mesures transitoires basées sur l'OECT. biocapteurs. Les capacités de détection des transistors électrochimiques sont démontrées avec des solutions ioniques ainsi que pour la détection du glucose par des enzymes. Les OECT jetables présentent des performances comparables à celles de leurs homologues non dégradables. Leur intégration avec des pistes en zinc hautement conductrices, dégradables et imprimables, est étudiée pour la réalisation d'interconnexions. Ces OECT respectueux de l’environnement pourraient trouver des applications en tant que capteurs biochimiques jetables et durables et constituer une étape vers des biocapteurs biorésorbables.

Ces dernières années, l’intérêt pour les biocapteurs transparents, peu coûteux et fiables n’a cessé de croître, ciblant les applications dans les tests sur le lieu d’intervention1,2, la surveillance continue au moyen de dispositifs portables3,4 ou de biocapteurs implantés5. Dans ce contexte, les transistors électrochimiques organiques (OECT) sont apparus comme une alternative prometteuse aux capteurs basés sur des transistors à effet de champ potentiométriques, ampérométriques ou sensibles aux ions (ISFET)6. L'intérêt récent pour les OECT a été motivé par leur compatibilité avec des substrats mécaniquement conformes7, leur transconductance élevée8, leur fonctionnement sans référence9 et leur intégration microfluidique simplifiée10. Il a été démontré qu’une surveillance précise de divers analytes tire parti des propriétés élevées d’amplification du signal des OECT. Les exemples incluent la détection du pH11, des électrolytes tels que le sodium et le potassium12, des métabolites dont le glucose et le lactate13 ou des neurotransmetteurs tels que la dopamine ou l'épinéphrine14,15. Les OECT se composent de trois terminaux (source, drain et porte). Les contacts de source et de drain sont généralement fabriqués avec des métaux tels que l'or ou l'argent et le canal est constitué d'une couche polymère conductrice reliant la source et le drain. La filière est le plus souvent à base de poly(3,4-éthylène dioxythiophène) : polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS)16, bien que d’autres matériaux comme le polypyrrole aient été explorés8. Divers matériaux ont été utilisés pour fabriquer l'électrode de grille, bien que l'argent/chlorure d'argent ou le platine soient les choix les plus courants pour la fabrication de la grille8. La grille et le canal sont en contact avec un électrolyte (sous forme liquide ou de gel) et les cations de l'électrolyte diffusent dans le canal si un potentiel de grille positif est appliqué, et dédopent le polymère conducteur en compensant les anions du dopant PSS. Cette architecture relativement simple est compatible avec les conceptions planaires et l’intégration haute densité dans des systèmes microfluidiques ou des circuits électroniques organiques complexes17.

Avantageusement, la fabrication des OECT, en particulier du canal conducteur, est compatible avec les méthodes de fabrication basées sur des solutions et la fabrication additive, permettant une fabrication rentable et un prototypage rapide sur des substrats flexibles10. Cela ouvre de nouvelles possibilités en termes de combinaison de matériaux pouvant être utilisés dans la fabrication des OECT, notamment l'utilisation de matériaux dégradables. L’électronique dégradable fait référence aux systèmes et composants électroniques qui peuvent se dégrader spontanément dans un environnement d’intérêt, dans un laps de temps contrôlé et sans libérer de sous-produits nocifs pour cet environnement18. Avec les quantités inquiétantes de déchets électroniques générées, ainsi que le nombre explosif d’appareils connectés à l’Internet des objets (IoT)19, les systèmes électroniques transitoires dont la durée de vie varie de quelques jours à quelques mois suscitent un intérêt croissant. Bien que des progrès aient été réalisés dans la fabrication de dispositifs fonctionnels entièrement dégradables, à savoir des antennes20, des batteries21 et des capteurs physiques et environnementaux22,23, les recherches sur les biocapteurs dégradables restent relativement limitées24.