Forskere demonstrerer nye måder at opnå selektivitet for biomarkører inden for bioelektronik

Ingeniører ved University of Arizona har eksperimentelt verificeret de elektrokemiske processer, der styrer ladningsoverførselshastighed fra en organisk polymer til et biomarkørmolekyle, ved hjælp af almindelige materialer og måleteknikker til at gøre deres resultater bredt tilgængelige og reproducerbare.

Deres fund, rapporteret i Naturkommunikation , vil fremme området organisk bioelektronik, især inden for medicin, og har applikationer til energilagringsteknologier, såsom batterier og brændselsceller.

En naturlig udfordring

Elektronoverførselsreaktioner er grundlæggende processer i biologi, kemi, fysik og teknik, hvor en elektron overføres fra et molekyle til et andet molekyle eller stof. Elektronoverførsel driver alt fra fotosyntese og åndedræt til elektronik. Forståelsen af ​​disse reaktioners mekanismer og hastigheder gør det muligt at styre sanseevnen og udgangssignalet fra elektroniske enheder, såsom solceller og biomedicinske sensorer.

Medforfattere Erin Ratcliff, adjunkt i materialevidenskab og teknik, og postdoktor Melanie Rudolph har demonstreret nye måder at opnå selektivitet for biomarkører til design af bedre biosensorer. Selektivitet opnås ved at forarbejde en polymer på en sådan måde, at den præcist styrer ladningsoverførselshastigheden mellem sig selv og et biomarkørmolekyle.

Det meste af dagens elektronik er fremstillet af uorganiske halvledende materialer som silicium. De er yderst effektive, men dyrt at producere og har begrænset kompatibilitet med biologiske systemer.

"Traditionelle elektroniske materialer er hårde og sprøde, og derfor tilbøjelige til at mislykkes i fleksible bærbare strukturer, "Ratcliff sagde." Eksisterende implanterbare biomedicinske elektroniske enheder som defibrillatorer har opnået bemærkelsesværdig succes - men potentialet for bærbar og implanterbar organisk bioelektronik er betagende. "

På det hurtigt voksende område inden for organisk bioelektronik, ingeniører bruger økologisk, eller kulstofbaseret, ledende polymerer til fremstilling af elektronik, der er billige og lette, fleksibel og bærbar, og let at udskrive.

Sådan organisk bioelektronik kan omfatte blødt, strækbare og gennemsigtige ionpumper til levering af lægemidler; bærbare bandager, der nulstiller på en af ​​de hundredvis af biomarkører i sved; eller biologiske neurale vævsimplantater, der gør det muligt for en amputeret at manipulere en robotarm, hånd og fingre.

Materialerne fungerer ved ladningsoverførselsreaktioner mellem de organiske ledende polymerer og det omgivende miljø. Disse reaktioner er meget forskellige end dem mellem uorganiske materialer og elektrolytter. Ved bedre at forstå disse processer, forskere kan manipulere egenskaberne af organiske polymerer til at producere mere biokompatible enheder, der slører grænserne mellem menneske og maskine.

Nyt område i forsøg

I deres papir, Ratcliff og Rudolph beskriver nogle af de første eksperimenter for at teste en førende teori om elektronoverførsel i elektrokemiske systemer med organiske polymerer.

Forskerne demonstrerede Marcus-Gerischer-modellen, baseret på teoretisk fysiker og nobelprisvinder Rudolph Marcus og afdøde elektrokemiker Heinz Gerischer. Marcus teori forklarer hastighederne for elektronoverførselsreaktioner fra et molekyle til et andet; Gerischer udvidede teorien til at forklare ladningsoverførselsreaktioner mellem molekyler i opløsning (elektrolytter) og faste materialer med ledende egenskaber, som metaller og halvledere.

UA -forskningen resulterede i to centrale fund.

Først, teamet viste, at elektronoverførselshastigheden fra en polymer til en elektrolyt afhænger direkte af mængden af ​​energi, der anvendes:jo større spænding, der påføres, jo hurtigere elektronoverførselshastighed. Dette er det normale regime for gebyroverførsel Marcus teoretiserede.

Sekundet, og mere spændende, stykke for forskerne var deres demonstration af Marcus 'teori om omvendt ladningsoverførsel, der siger, at når spændingen påføres et kemisk system stiger, elektronoverførselshastighed på et tidspunkt bremser dramatisk.

"I vores forsøg vi kombinerede Marcus og Gerischers formler og anvendte dem for at demonstrere unikke, men forudsigelig, elektronladningsoverførselsmekanismer ved grænsefladen mellem organiske polymerer og elektrolytter, "Ratcliff sagde." Vi producerede næsten nøjagtig den samme omvendte kurve, som vi forventede baseret på Marcus-Gerischer-modellen. "

"Jeg forstod inverteret ladningsoverførsel i teorien, men jeg var virkelig overrasket over at få disse resultater igen og igen i laboratoriet, "Sagde Rudolph.

En ramme for fremtidig forskning

Ratcliff og Rudolph brugte et modelmolekyle, ferrocenedimethanol-en standard for elektrokemisk forskning-og det bredt studerede tyndfilmspolymermateriale poly- (3-hexylthiophen), eller P3HT. De fastgjorde tyndfilmspolymeren på et glasglas og udsatte den for en elektrolytopløsning. Ved at bruge en form for elektrokemisk spektroskopi, Ratcliff og Rudolph analyserede elektronoverførsel og ionfordeling i mikrosekunder og sekunder.

Deres fund viser samlet, at elektronoverførsel ved grænsefladen mellem en ledende organisk polymer og elektrolyt styres direkte af polymerens elektroniske struktur, en vigtig designretningslinje for fremtidige organiske bioelektroniske applikationer.

"Vi foreslår ting for materialeforskere og ingeniører at kigge efter, ved hjælp af værktøjerne til molekylær teknik, de kan syntetisere avancerede materialer til ønskede resultater, "Sagde Rudolph.

"Hver gang du kommer med en grundlæggende ramme for eksperimentering, det skubber et felt fremad, "Tilføjede Ratcliff.