Dispositivi microfluidici integrati in biosensori di elettronica organica

The electrolyte-gated organic field effect transistors (EGOFET) are commonly used in biosensing applications due to the ultrasensitive sensing mechanism. The potential of the gate electrode is sensitive to antigen binding at surface bound recognition sites, which is capacitively coupled to the transistor channel. Even the low amount target biomolecules can cause a shift of the gate electrode workfunction, inducing a change in the Electrical Double Layers (EDLs) near the semiconductorelectrolyte interface.In this PhD thesis, I present applications of multi gate EGOFET architectures integrated with microfluidic devices exploiting diffusion in laminar flow mixer. The gradient of concentration affects the EGOFET electrical characteristics, providing an insight of the kinetics of surface functionalization reactions, oligonucleotide probe-target hybridization or antigen-protein binding reactions. The reported results indicate that multi gate EGOFET can be used as an electroanalytical tool for monitoring self-assembly monolayers (SAM) on top of gold thin electrodes sputtered on flexible polymeric substrates. The possibility to control the self-assembled monolayer formation is achieved by means of the diffusion interface within the microfluidic streams. For this purpose, we integrate the microfluidic mixer with EGOFET device by means of an electrolyte bridge. The mixer performance is validated with UV Spectroscopy with different biomolecules. The diffusion interface between concurrent streams of solutions generates a concentration gradient along the H-mixer main channel, which affects the kinetics of thiols self-assembly upon the array of electrodes patterned on the lower boundary of the microfluidics. The study was pursued with four short chain alkanethiol moieties (3-mercapto-1-propanol, 6-mercapto-1-hexanol, 8-mercapto-1- octanol, 9-mercapto-1-nonanol) at flow rates ranging from 2 µl/min to 50 µl/min. The drain-source current was recorded in the nA to µA range, showing a decrease correlated with the axial position of the gate electrode along the microfluidic channel. The initial gate electrodes in the array kept the same transfer curves as immersed in the PBS electrolyte, while those along the stream were influenced by thiol diffusion, leading to drain-source current lower than 50%. Multi gate EGOFET architecture with microfluidic chamber has been used to perform biorecognition with oligonucleotides probe-target pairs, showing high sensitivity response. MicroRNAs (miRNA) are classified as important biomarkers for cancer such as glioblastoma, lung and breast cancers. The device allows one to measure the differential response with respect to a sensing gate and a reference gate electrode, both immersed in the electrolyte above the transistor channel. Hybridization with oligonucleotide in the picomolar regime induced a reduction of the current flowing through the transistor channel. The device response signal is reported at various gate voltages, being the sensitivity of the biosensor maximized in the sublinear regime, with a limit of detection as low as 35 pM. We describe the dose curves with an analytical function derived from a thermodynamic model of the reaction equilibria relevant in our experiment and device configuration and we show that the apparent Hill dependence on analyte concentration with exponent between 0.5 and 1 emerges from the interplay of the different equilibria. The binding free energy characteristic of the hybridization on the device surface is found to be approximately 20% lower with respect to the reaction in solution, hinting to partially inhibiting effect of the surface and presence of competing reactions.

I transistor a effetto di campo organico con elettrolita (EGOFET) sono usati sempre più frequentemente nelle applicazioni di biosensoristica a causa della sensibilità accresciuta dall’amplificazione del transistor. Il potenziale dell'elettrodo di gate è sensibile al legame dell'antigene nei siti di riconoscimento legati alla superficie dell’elettrodo. Inoltre questo potenziale è accoppiato capacitivamente al canale del transistor. Anche una ridotta concentrazione di biomolecole target vicine all'elettrodo di gate può causare uno spostamento amplificato della funzione di lavoro dell'elettrodo di gate, inducendo un cambiamento nel doppio strato elettrico (EDL) vicino all'interfaccia semiconduttore-elettrolita. In questa tesi di dottorato, presento applicazioni di architetture EGOFET multi gate integrate con dispositivi di microfluidica che sfruttano la diffusione nei mixer a flusso laminare. Il gradiente di concentrazione influenza le caratteristiche elettriche di EGOFET, fornendo un'idea della cinetica delle reazioni di funzionalizzazione della superficie, dell'ibridazione sonda-target dell'oligonucleotide o delle reazioni di legame antigene-proteina. I risultati riportati indicano che l'EGOFET multi-gate può essere utilizzato come strumento analitico per il monitoraggio di monostrati di molecole (SAM) autoassemblati su elettrodi a film sottile d'oro ottenuti per deposizione in vuoto su substrati polimerici flessibili. La possibilità di controllare la formazione del monostrato autoassemblato è ottenuta tramite l'interfaccia di diffusione esistente fra i flussi microfluidici. A tale scopo integriamo il mixer microfluidico con il dispositivo EGOFET tramite un ponte elettrolitico. Le prestazioni del mixer sono state validate con la spettroscopia UV con diverse biomolecole. L'interfaccia di diffusione tra flussi simultanei di soluzioni genera un gradiente di concentrazione lungo il canale principale del mixer ad H, che influisce sulla cinetica dell'autoassemblaggio dei tioli sull’array di elettrodi presenti sul confine inferiore della microfluidica. Lo studio è stato realizzato con quattro composti di alcantiolo a catena corta (3-mercapto-1-propanolo, 6-mercapto-1-esanolo, 8-mercapto-1-ottanolo, 9-mercapto-1-nonanolo) con flussi compresi tra 2 µl /min a 50 µl/min. La corrente drain-source è stata registrata nell'intervallo da nA a µA, che mostra una diminuzione correlata alla posizione assiale dell'elettrodo di gate lungo il canale microfluidico. Gli elettrodi di gate iniziali nell'array mantenevano le stesse curve di trasferimento immerse nell'elettrolita PBS, mentre quelli lungo il flusso erano influenzati dalla diffusione del tiolo, portando a una corrente di drainsource inferiore al 50%. L'architettura EGOFET multi-gate con camera microfluidica è stata utilizzata per eseguire il bioriconoscimento con coppie sonda-bersaglio di oligonucleotidi, mostrando una risposta ad alta sensibilità. I microRNA (miRNA) sono classificati come importanti biomarcatori per il cancro come il glioblastoma, i tumori del polmone e della mammella. Nella tesi sono descritte le curve di dose con una funzione analitica derivata da un modello termodinamico degli equilibri di reazione rilevanti nel nostro esperimento e nella configurazione del dispositivo e mostriamo che l'apparente dipendenza di Hill dalla concentrazione di analita con esponente compreso tra 0,5 e 1 emerge dall'interazione dei diversi equilibri . L'energia libera di legame caratteristica dell'ibridazione sulla superficie del dispositivo risulta essere inferiore di circa il 20% rispetto alla reazione in soluzione, suggerendo un effetto parzialmente inibente della superficie e la presenza di reazioni concorrenti.