RICERCA ITALIANA     

SENSORI BIO-FET DI PLASTICA

Università degli Studi di Bari

Abstract

La rivelazione di molecole biologiche o biologicamente attive attraverso un transistor organico ad effetto di campo (OFET) è al momento una delle tematiche di punta della ricerca mondiale. Fra gli analiti di interesse biologico un ruolo di particolare rilievo rivestono le molecole chirali, poiché l’analisi di enantiomeri o racemati ha ricadute in campi che vanno dalle biologia alla farmacologia al settore agro-alimentare. E’ però ben noto quanto sia critico trovare un metodo analitico efficace ed affidabile per discriminare due enantiomeri o stabilirne la concentrazione relativa in un racemato. Generalmente ci si affida a tecniche come la cromatografia che però non permette analisi “on-line”.

Il presente progetto punta alla realizzazione e allo studio di sensori OFET per la rivelazione di molecole di interesse biologico quali le molecole chirali. In particolare si procederà a dimostrare che un sensore OFET è in grado di discriminare fra due enantiomeri, anche in una miscela racemica, presenti in concentrazione di 10-100 ppm, abbassando l’attuale limite di rilevabilità (ottenuto con un sensore a stato solido) di almeno tre ordini di grandezza. Ciò rappresenta un obiettivo estremamente ambizioso, anche perché il dispositivo sviluppato permetterebbe un’analisi “on line” consentendo il monitoraggio in continuo di un processo. Un ulteriore obiettivo consiste nella realizzazione e la caratterizzazione di sensori organici ad effetto di campo in grado di rilevare la presenza di specie cariche in una soluzione posta a contatto con l’isolante della struttura. L’integrazione delle due tipologie di sensori in un’unica matrice su substrati di plastica flessibili attraverso l’impiego di tecniche di stampa a getto d’inchiostro (inkjet printing) rappresenta un obiettivo decisamente più applicativo, il cui raggiungimento permetterebbe di operare contemporaneamente nelle fasi gassosa e liquida. Lo scopo è evidentemente quello di verificare la fattibilità di sensori OFET che combinino elevate prestazioni a bassi costi. E' prevista anche una approfondita fase di indagine chimica e fisica dei materiali che formano i dispositivi nonché delle loro superfici e interfasi. Particolare attenzione verrà rivolta ai film polimerici sensibili che verranno studiati dal punto vista delle caratteristiche chimiche elementali e molecolari, della nanostruttura morfologica e delle proprietà elettriche. Cio' permetterà di comprendere i meccanismi di trasduzione, di interazione dell'analita con il film sensibile ed eventualmente di ottimizzare le prestazioni dei dispositivi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luisa Torsi Università degli Studi di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

La rivelazione di molecole biologiche o biologicamente attive attraverso un dispositivo ad effetto di campo è al momento uno delle tematiche di punta della ricerca mondiale. Generalmente lo studio di questi dispositivi vede impegnati scienziati di discipline come la chimica analitica, la bioingegneria e la fisica dei materiali, che collaborano in progetti dal carattere fortemente interdisciplinare. Sebbene i sistemi attualmente commercializzati si basino su matrici (array) a trasduzione ottica (metodi Elisa), è comunemente accettato che sarebbe molto vantaggioso passare ad una trasduzione elettronica di eventi di riconoscimento quali l’ibridizzazione di un segmento di DNA o l’interazione fra un antigene ed un anticorpo così come la discriminazione di enantiomeri chirali in una miscela racemica. Sensori a stato solido, come resistori o transistori, offrono inoltre, se pur ancora a livello di potenzialità, l’indubbio vantaggio di consentire il monitoraggio “on-line” dei parametri critici di un processo. Un sensore organico ad effetto di campo, o sensore OFET, offre inoltre almeno altri due vantaggi importanti:
- il responso ad una analita è amplificato dall’effetto di campo così come avviene per la corrente che scorre nel canale fra sorgente e collettore;
- un sensore OFET integra in sè il trasduttore chimico con il dispositivo elettronico, che realizza la funzione di switch, facilitando in questo modo la realizzazione e il funzionamento di quei sistemi a matrice di sensori noti anche come nasi elettronici.

Il presente progetto punta alla realizzazione e allo studio di sensori OFET per la rivelazione di molecole di interesse biologico quali le molecole chirali. In particolare si procederà a dimostrare che un sensore OFET è in grado di discriminare fra due enantiomeri, anche in una miscela racemica, presenti in concentrazione di 10-100 ppm, abbassando l’attuale limite di rilevabilità (ottenuto con un sensore a stato solido) di almeno tre ordini di grandezza. Ciò rappresenta un obiettivo estremamente ambizioso, anche perché il dispositivo sviluppato permetterebbe un’analisi “on line” consentendo il monitoraggio in continuo di un processo. Un ulteriore obiettivo consiste nella realizzazione e la caratterizzazione di sensori organici ad effetto di campo in grado di rilevare la presenza di specie cariche in una soluzione posta a contatto con l’isolante della struttura. Il raggiungimento di questi obiettivi necessita la risoluzione di diverse problematiche scientifiche che riguardano le proprietà dei materiali e delle interfasi impiegati nei dispositivi, nonché i meccanismi coinvolti nei fenomeni di conduzione ad effetto di campo e di riconoscimento molecolare. L’integrazione delle due tipologie di sensori in un’unica matrice su substrati di plastica flessibili attraverso l’impiego di tecniche di stampa a getto d’inchiostro (inkjet printing) rappresenta un obiettivo decisamente più applicativo, il cui raggiungimento permetterebbe di operare contemporaneamente nelle fasi gassosa e liquida. Lo scopo è evidentemente quello di verificare la fattibilità di sensori OFET che combinino elevate prestazioni a bassi costi.

Un modello del meccanismo di rivelazione sarà costruito sulla base delle informazioni provenienti dalla caratterizzazione analitica dei materiali che, sotto forma di film sottili, costituiranno lo strato sensibile dei dispositivi. Tali film verranno studiati sia dal punto vista delle proprietà morfologiche e strutturali che delle proprietà elettriche. Lo studio delle caratteristiche strutturali dei materiali e delle loro superfici e interfasi, nonché la correlazione con le proprietà responsabili dei fenomeni di sensing e trasduzione, sarà effettuata attraverso l’utilizzo di tecniche di microscopia a scansione di sonda tradizionali e avanzate, di spettroscopia di superficie, oltre che di tecniche per la determinazione di parametri termodinamici di superficie come ad esempio l’angolo di contatto. La caratterizzazione delle proprietà di trasporto elettronico sarà focalizzata sullo studio di processi di trasporto e di iniezione di carica, con particolare rilievo alla comprensione del ruolo degli stati difettivi elettronici soprattutto come conseguenza dell’esposizione ad un analita. A tal scopo verranno adoperate tecniche di indagine quali analisi in fotocorrente spettrale e spettroscopie termiche tipicamente usate per lo studio dei livelli profondi associati a difetti reticolari in materiali semiconduttori.

Il progetto si compone di quattro unità che hanno competenze e ruoli complementari. Il co-ordinatore nazionale, la prof.ssa Luisa Torsi, è professore ordinario di Chimica Analitica ed il suo gruppo è stato fra i primi a proporre l’impiego dei transistori a film sottile organico (OTFT) come sensori di gas. La prof.ssa Annalisa Bonfiglio, esperta di dispositivi elettronici e bioingegneria, si occupa invece da alcuni anni dello sviluppo di sensori ad effetto di capo per la determinazione di ioni in soluzione (ISFET). I dispositivi sviluppati a Bari e a Cagliari, pur afferendo entrambi alla più ampia classe dei sensori FET, sono in realtà dispositivi completamente diversi, sia nella struttura che nelle proprietà chimiche. In particolare gli OTFT lavorano per lo più con sostanze volatili mentre gli ISFET rivelano generalmente ioni in soluzione. Il contributo sinergico delle differenti competenze (chimiche ed ingegneristiche) delle due unità sarà sicuramente importante per il raggiungimento degli ambiziosi obiettivi del progetto. Il Prof. Bruno Pignataro è a capo dell'Unità di Palermo e si occuperà dello studio delle proprietà strutturali (chimiche e nanoscopiche) relative ai materiali e alle interfacce coinvolte nei processi di trasduzione e rivelazione degli analiti mentre la dr.ssa Beatrice Fraboni (Unita' di Bologna) si occuperà della caratterizzazione delle proprietà di trasporto e della natura dei difetti generati durante il processo di sensing. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L’importanza che le sostanze chirali rivestono in molti processi naturali rende lo sviluppo di metodi analitici avanzati per la discriminazione enantiomerica uno dei settori di ricerca più stimolanti e vivaci. In effetti, l’interesse verso la chiralità e le sue implicazioni ha subito un forte incremento nelle ultime due decadi per ragioni sia scientifiche che economiche, come testimonia l’elevato numero di contributi scientifici riguardanti gli xenobiotici quali farmaci chirali, additivi e composti agro-alimentari, aromi e fragranze [1]. La tecnica analitica principalmente impiegata oggi per l’analisi enantioselettiva è la cromatografia, che pur permettendo un’efficace separazione e la rivelazione simultanea di più enantiomeri di un analita, ha però lo svantaggio di essere una tecnica “off-line”.

Sensori e biosensori si propongono come promettenti alternative e, in quanto dispositivi a stato solido, se pur ancora a livello di potenzialità, offrono l’indubbio vantaggio di consentire il monitoraggio “on-line” dei parametri critici di un processo. L’impiego di resistori anche nell’analisi chirale suscita grande interesse ma attualmente solo due lavori si possono trovare in letteratura sull’argomento. I dispositivi proposti sono dei resistori (noti anche come chemiresistori) che impiegano polimeri conduttori opportunamente funzionalizzati come strato attivo e sono in grado di effettuare la discriminazione di due enantiomeri nel range di concentrazione delle decine-centinaia di parti per mille (ppth) [2, 3].

Notevole interesse stanno suscitando da qualche anno i sensori a base di transistori organici, che offrono il vantaggio di un responso amplificato dall’effetto di campo così come avviene per la corrente che scorre nel canale fra sorgente e collettore. Inoltre un sensore OFET integra in se il trasduttore chimico con il dispositivo elettronico, che realizza la funzione di switch, facilitando in questo modo la realizzazione e il funzionamento di sistemi a matrice. Inoltre, un FET organico fornisce un responso che è facilmente processabile ed è un dispositivo sicuramente integrabile in sistemi a matrice, mutuando la tecnologia già sviluppata per i circuiti di dispositivi organici anche flessibili sviluppati per applicazioni nel campo dei “display” [4]. I transistori ad effetto di campo a base di polimeri conduttori sono stati impiegati sia come sensori di sostanze organiche volatili che come sensori di ioni in soluzione. Questi dispositivi sono rispettivamente conosciuti come transistori organici a film sottile o OTFT e ion-selective FET (ISFET). Entrambi, se pur afferiscono alla più ampia classe dei sensori OFET, sono in realtà dispositivi completamente diversi sia nella struttura che nelle proprietà chimiche. Dal punto di vista dispositivistico negli OTFT il layer sensibile è anche il semiconduttore organico nel quale avviene il trasporto di carica (regione di canale), mentre nell’ISFET la parte sensibile è il materiale organico che costituisce il contatto di porta. Da un punto di vista delle proprietà chimiche, gli OTFT lavorano per lo più con analiti volatili mentre gli ISFET rivelano generalmente ioni in soluzione.

Per quanto concerne l’impiego degli OTFT come sensori, e’ possibile trovare nella letteratura recente lavori di rassegna che ne descrivono il funzionamento e le caratteristiche analitiche [5-6]. Fra le caratteristiche più importanti è da annoverare l’elevato grado di ripetibilità del responso [5, 7]. E' stato dimostrato infatti che forniscono una risposta con una deviazione standard del 2% se esposti per 13 ore (400-500 esposizioni successive) ad un vapore saturo di un alcol. Ciò accade perché il completo ritorno del segnale alla linea di base è assicurato (lavorando a temperatura ambiente) dall'impiego strategico del potenziale di gate o porta. Infatti il contatto di gate può fornire un impulso di potenziale che libera le cariche intrappolate durante l’esposizione all’analita. In un chemirestore tale effetto è ottenuto scaldando il dispositivo, è ciò è decisamente meno conveniente. Inoltre la modulazione del potenziale di gate consente di amplificare la risposta del sensore [5], anche se non è stato ancora dimostrato che ciò si traduca in un aumento delle sensibilità. La selettività può essere ottenuta semplicemente cambiando la struttura chimica dei sostituenti legati covalentemente alla catena principale del polimero conduttore. E’ stato dimostrato che i sostituenti possono anche essere molecole biologiche. Un recente lavoro molto interessante mostra che gli OTFT possono lavorare in liquido ed essere integrati con sistemi microfluidici [8], ma è bene precisare che tale lavoro costituisce una prova assolutamente preliminare e a tutt’oggi gli ISFET consentono un livello di riproducibilità ed affidabilità molto maggiore degli OTFT quando si tratta di analizzare analiti in soluzione.

Per quanto riguarda gli ISFET, una descrizione delle potenzialità in chimica analitica di tali dispositivi può essere trovata in letteratura [9,10]. Recentemente, è stata proposta una particolare struttura di transistor organico dotata di caratteristiche molto interessanti, specialmente in vista del possibile sviluppo di sensori completamente flessibili [11]: invece che essere assemblata sopra un substrato (sia rigido che flessibile), tale struttura è basata su un film isolante adattato ad una cornice plastica e meccanicamente stabile per tutta la durata del processo di costruzione del dispositivo. Questo strato isolante ha due funzioni: 1) è il supporto meccanico dell'intera struttura; 2) ha una funzione elettronica, ovvero è lo strato isolante della struttura a effetto di campo. A causa di queste caratteristiche, ed essendo inoltre completamente flessibile, permette di costruire una struttura a sua volta flessibile, che può essere applicata ad un substrato qualunque dopo la sua completa costruzione. Tale dispositivo ha costituito la base per la realizzazione del primo esempio di dispositivo a effetto di campo "ion sensitive" realizzato su un film plastico [12] che è in grado di misurare il pH di una soluzione posta su una pellicola completamente flessibile.

Al fine di realizzare biosensori flessibili con trasduzione FET (Bio-FET) è necessario progettare e studiare materiali nuovi per l’elettronica nonché risolvere tutta una serie di problematiche di base relative alle correlazioni struttura-proprietà delle loro superfici e interfasi [13]. Sono di rilevante importanza le interfasi che coinvolgono lo strato organico semiconduttore (semiconduttore/dielettrico, semiconduttore/elettrodo) e/o il film organico-biologico sensibile. Ad esempio, è stato di recente dimostrato che il fenomeno di conduzione ad effetto di campo in un OFET dipende essenzialmente dalla struttura chimica e morfologica dei primi strati molecolari del semiconduttore organico in diretto contatto col dielettrico [14-17]. Diversi studi sono dunque rivolti al controllo dei meccanismi relativi ai primi stadi di crescita di film organici su dielettrici, includendo nuovi dielettrici come quelli ibridi (inorganico-organico) o interamente organici (film sottili di polimeri) necessari per operare a basse potenze e realizzare dispositivi flessibili [18]. Le caratteristiche elettriche e i meccanismi di trasporto ai contatti fra sistemi organici ed elettrodi inorganici costituiscono un altro importante settore di ricerca da esplorare. Un punto fondamentale è ad esempio quello di trovare le condizioni affinché le caratteristiche strutturali del film organico lungo il canale siano mantenute anche agli elettrodi [14]. Infine, per realizzare strati sensibili funzionali di natura biologica (anticorpi, enzimi, segmenti di DNA, cellule ecc.) bisogna determinare quali siano le caratteristiche strutturali delle superfici dei film sensibili che influenzano i parametri termodinamici e cinetici di riconoscimento molecolare. Ciò necessita lo studio di diversi protocolli di preparazione dei film e l’utilizzo di tecniche non distruttive che permettono un controllo strutturale dettagliato a livello nanoscopico, come la tecnica “dynamic scanning force microscopy in attractive regime” (DSFM-AR) sviluppata in collaborazione con l’Università di Muenster dal responsabile della UdR-PA [19].

Molto rilevante è la comprensione del ruolo degli stati difettivi elettronici e degli associati processi di degradazione del dispositivo, su cui a tutt’oggi molto poco è noto [20-23]. Gli stati elettronici difettivi nel semiconduttore ed alle interfacce possono infatti causare forti instabilità nel comportamento macroscopico del dispositivo, ad esempio nella tensione di soglia VT, parametro particolarmente importante per i sensori a gate ionico perché è proprio la variazione della tensione di soglia in risposta alla concentrazione di specie cariche in soluzione a fornire il segnale di interesse per il sensore [24-29]. E’ percio’ di forte rilevanza una piu’ approfondita comprensione delle modulazioni intrinseche della VT dovute a cause non dipendenti dall’interazione con la soluzione (ageing, stress elettrico, modificazioni chimiche del semiconduttore). Lo studio degli stati elettronici e dell’attività elettrica degli stati difettivi presenti nei materiali organici puo’ essere eseguito con tecniche quali analisi in fotocorrente spettrale e spettroscopie termiche DLTS (deep level transient spectroscopy) e PICTS (Photo induced current transient spectroscopy) già impiegate da vari anni per lo studio dei livelli profondi associati a difetti reticolari in materiali semiconduttori presso l’UdR di Bologna[29-36].

Se stabilità e selettività sono caratteristiche fondamentali per qualunque tipo di sensore, una procedura affidabile per la raccolta e trattamento del campione ha importanza simile, potendo essere anche utilizzata per migliorare l’efficienza complessiva del sistema o per estenderne il campo applicativo. Il sistema di campionamento e misura deve essere in grado di trasferire il campione ai sensori e poi allo scarico tenendo sotto controllo tutti i fattori in grado di alterare la risposta, cosicché la composizione del campione sia l’unica variabile rilevante. E’ stato dimostrato che la geometria della camera di misura può alterare in maniera significativa la concentrazione del campione al suo interno e quindi la risposta del sensore [37], visto che la risposta di quest’ultimo è determinata dalla concentrazione presente sulla superficie dello strato sensibile, non dalla concentrazione media nella camera. Pertanto, al fine di ottenere un sistema in grado di discriminare efficientemente analiti chirali sarebbe fondamentale operare sia sul dispositivo (che deve essere sia estremamente sensibile ma anche selettivo verso enantiomeri diversi dello stesso analita chirale) che sulla procedura di trattamento del campione. Ciò potrebbe essere fatto, ad esempio, tramite l’uso di interfacce quali membrane e/o tubi con materiali adsorbenti tra sensore e campione, che consentono la rimozione selettiva di interferenti chimici e la concentrazione degli analiti di interesse.

I sensori tipo FET potrebbero risultare la soluzione al problema della discriminazione chirale di numerose sostanze di interesse ambientale, biologico, alimentare. In campo alimentare, molti aromi sono composti chirali i cui enantiomeri danno luogo ad una risposta biologica diversa, potendo differire ad esempio per la qualità dell’odore o per l’intensità. Per questo motivo la separazione degli enantiomeri è di grande importanza nello studio di aromi e fragranze, non solo per caratterizzare gli analiti nel controllo qualità delle fragranze naturali, per la conoscenza dei rapporti enantiomerici caratteristici o per valutare i percorsi di biosintesi dei componenti degli aromi, ma anche per stabilire l’origine geografica e identificare possibili adulterazioni [38-40]. <<<