Dramaattisesti parempia bioelektronisia antureita

Rice yliopiston monitieteinen tutkijaryhmä on kehittänyt läpimurron, joka voi muuttaa bioelektronisen havainnoinnin, uuden menetelmän parantaakseen dramaattisesti entsymaattisten ja mikrobisten polttokennojen herkkyyttä yhdistämällä ne orgaanisiin sähkökemiallisiin transistoreihin (OECT).

Biologia ja mikroelektroniset laitteet käyttävät elektroneja informaation ja energian kantajina. Näiden järjestelmien erilaiset ominaisuudet tekevät niiden yhdistelmästä houkuttelevan teknologian. Kuitenkin sähköistä viestintää rajoittavat mikro-organismien tuottamat pienet virrat ja/tai yhteensopimattomuus mikro-organismien ja laitteiden optimaalisten ympäristöjen välillä.

"Olemme osoittaneet yksinkertaisen mutta tehokkaan tekniikan vahvistaa heikkoja bioelektronisia signaaleja käyttämällä OECT:iä ja voittamalla aiemmat haasteet polttokennojen integroinnissa sähkökemiallisiin antureihin", sanoi vastaava kirjoittaja Rafael Verduzco. "Tämä menetelmä avaa oven monipuolisemmille ja tehokkaammille biosensoreille, joita voitaisiin soveltaa lääketieteessä, ympäristön seurannassa ja jopa puettavassa teknologiassa."

OECT:t ovat ohutkalvotransistoreja, jotka toimivat vesipitoisissa ympäristöissä ja ovat saaneet huomiota korkeasta herkkyydestään ja pienjännitetoiminnastaan. Tutkimusta varten tiimi integroi OECT:t kahdentyyppisiin biopolttokennoihin parantaakseen niiden suorituskykyä.

Ensimmäinen tyyppi, entsymaattiset polttokennot, käyttävät glukoosidehydrogenaasia katalysoimaan glukoosin hapettumista ja tuottavat siten sähköä. Toinen tyyppi, mikrobipolttokennot, luottaa sähköaktiivisiin bakteereihin metaboloimaan orgaanisia substraatteja ja tuottamaan virtaa. OECT:t liitettiin sitten polttokennoihin kahdessa eri konfiguraatiossa: katodiporttikonfiguraatio ja anodiporttikonfiguraatio.

Tutkijat havaitsivat, että OECT:t voivat vahvistaa entsymaattisten ja mikrobisten polttokennojen signaaleja kertoimilla, jotka vaihtelevat 1 000 - 7 000 kokoonpanosta ja polttokennotyypistä riippuen. Tämä vahvistus on huomattavasti korkeampi kuin perinteiset sähkökemiallisilla vahvistustekniikoilla. Lisäksi havaittiin, että OECT:t vähensivät taustakohinaa, mikä teki mittauksista tarkempia.

Tämän tekniikan todelliset sovellukset ovat valtavia, ja tutkimusryhmä esitteli onnistuneesti järjestelmän pienoisversion yhdellä lasilevyllä, mikä osoitti, että tekniikka on skaalautuva ja sitä voidaan käyttää kannettavissa biosensoreissa.

Tutkijat korostivat, että OECT:iden ja polttokennojen välisen tehodynamiikan ymmärtäminen on avainasemassa anturin suorituskyvyn optimoinnissa, ja he tunnistivat kaksi erilaista toimintatilaa. Tehon epäsovitustilassa polttokenno tuottaa vähemmän tehoa kuin OECT vaatii, mikä johtaa korkeampaan herkkyyteen, mutta toimii lähempänä oikosulkuolosuhteita. Sitä vastoin tehosovitettu tila tapahtuu, kun polttokenno tuottaa riittävästi tehoa OECT:n ohjaamiseen, mikä johtaa vakaampiin ja tarkempiin lukemiin.

"Hienosäätämällä näitä vuorovaikutuksia voimme suunnitella eri sovelluksiin räätälöityjä antureita erittäin herkästä lääketieteellisestä diagnostiikasta kestäviin ympäristömonitoreihin", Verduzco sanoi. ”Uskomme, että tämä lähestymistapa muuttaa tapaamme ajatella bioelektronisesta tunnistusjärjestelmästä. Se on yksinkertainen, tehokas ja skaalautuva ratkaisu."

Aiheesta aiemmin:

Bioteknisiä siruja ja transistoreita

Pystysuuntainen sähkökemiallinen transistori

Printattavia monimolekyylisiä biosensoreita