Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistors for (Bio)-Sensing Applications

Abstract

Aquesta tesi doctoral es va centrar en el desenvolupament i l'aplicació dels transistors orgànics d'efecte de camp controlats per electrolitos (EGOFET) i els transistors orgànics d'efecte de camp controlats per hidrogel (HYGOFET) per a fines bioelectrònics. Els dispositius es fabricaran dipositant a partir d'una solució petites molècules de semiconductors orgànics (OSC) mesclades amb un pol·límer aïllant, emprant la tècnica de cisallament de menisc assistit per barra (BAMS). El treball va implicar el disseny de biosensors flexibles de baix consum per detectar l'agregació de biomolècules i l'activitat cel·lular, en particular els péptidos amiloides, que són rellevants per a malalties neurodegeneratives com l'Alzheimer i el Parkinson. La capacitat dels EGOFET per detectar proteïnes sense la necessitat dels fabricants va destacar el seu potencial en estudis sistemàtics d'agregació de proteïnes i proves de fàrmacs. A més, els HYGOFET, que utilitzen hidrogel d'agarosa, demostren una estabilitat millorada en entorns de biodetecció. La tesi també va explorar el potencial dels EGOFET com a sensors de tensió i la seva aplicació en electrònica flexible, identificant canvis elèctrics clau sota estrès mecànic. La investigació introdujo solucions innovadores per abordar la derivada de voltatge en els EGOFET i va mostrar la seva capacitat per registrar i estimular l'activitat cel·lular, específicament els potencials de la membrana d'una sola cèl·lula. En general, els hallazgos van enfatitzar el futur prometedor dels EGOFET i els HYGOFET en aplicacions bioelectròniques, millorant la comprensió d'aquests dispositius i allanando el camí per a biosensores flexibles avançats.

Esta tesis doctoral se ha centrado en el desarrollo y la aplicación de los transistores orgánicos de efecto de campo controlados por electrolitos (EGOFET) y los transistores orgánicos de efecto de campo controlados por hidrogel (HYGOFET) para fines bioelectrónicos. Los dispositivos se fabricaron depositando a partir de una solución pequeñas moléculas de semiconductores orgánicos (OSC) mezclados con un polímero aislante, empleando la técnica de cizallamiento de menisco asistido por barra (BAMS). El trabajo implicó el diseño de biosensores flexibles de bajo consumo para detectar la agregación de biomoléculas y la actividad celular, en particular los péptidos amiloides, que son relevantes para enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson. La capacidad de los EGOFET para detectar proteínas sin la necesidad de fabricantes destacó su potencial en estudios sistemáticos de agregación de proteínas y pruebas de fármacos. Además, los HYGOFET, que utilizan hidrogel de agarosa, demostraron una estabilidad mejorada en entornos de biodetección. La tesis también explora el potencial de los EGOFET como sensores de tensión y su aplicación en electrónica flexible, identificando cambios eléctricos clave bajo estrés mecánico. La investigación introdujo soluciones innovadoras para abordar la deriva de voltaje en los EGOFET y ha mostrado su capacidad para registrar y estimular la actividad celular, específicamente los potenciales de membrana de una sola célula. En general, los hallazgos enfatizaron el futuro prometedor de los EGOFET y los HYGOFET en aplicaciones bioelectrónicas, mejorando la comprensión de estos dispositivos y allanando el camino para biosensores flexibles avanzados.

This doctoral thesis focused on the development and application of Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistors (EGOFETs) and Hydrogel-Gated Organic Field-Effect Transistors (HYGOFETs) for bioelectronic purposes. Devices were fabricated by depositing from solution small molecules of organic semiconductors (OSC) blended with an insulating polymer, employing the Bar-Assisted Meniscus-Shearing technique (BAMS)The work involved designing flexible, low-power biosensors for detecting biomolecule aggregation and cellular activity, particularly amyloid peptides, which are relevant for neurodegenerative diseases like Alzheimer’s and Parkinson’s. The ability of EGOFETs to detect proteins without the need for makers highlighted their potential in systematic studies of protein aggregation and drug testing. In addition, HYGOFETs, utilizing agarose hydrogel, demonstrated improved stability in biosensing environments. The thesis also explored the potential of EGOFETs as strain sensors and their application in flexible electronics, identifying key electrical changes under mechanical stress. The research introduced innovative solutions for addressing voltage drift in EGOFETs and showed their capacity to record and stimulate cellular activity, specifically single-cell membrane potentials. Overall, the findings emphasized the promising future of EGOFETs and HYGOFETs in bioelectronic applications, enhancing the understanding of these devices while paving the way for advanced flexible biosensors.