Es wurde ein neues organisches (kohlenstoffbasiertes) halbleitendes Material entwickelt, das die bestehenden Optionen für den Bau der nächsten Generation von Biosensoren übertrifft. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der KAUST ist das erste, das einige kritische Herausforderungen bei der Entwicklung dieses Polymers überwunden hat. Die Arbeit "Regiochemistry-Driven Organic Electrochemical Transistor Performance Enhancement in Ethylene Glycol-Functionalized Polythiophenes" wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Derzeit wird viel Forschungsarbeit in neuartige Biosensoren investiert, die direkt mit dem Körper interagieren, um wichtige biochemische Stoffe nachzuweisen und als Indikatoren für Gesundheit und Krankheit zu dienen. "Damit ein Sensor mit dem Körper kompatibel ist, müssen wir weiche organische Materialien mit mechanischen Eigenschaften verwenden, die denen von biologischem Gewebe entsprechen", sagt Rawad Hallani, ein ehemaliger Forscher des KAUST-Teams, der das Polymer gemeinsam mit Forschern mehrerer Universitäten in den USA und Großbritannien entwickelt hat.
Hallani erklärt, dass das Polymer für den Einsatz in so genannten organischen elektrochemischen Transistoren (OECTs) vorgesehen ist. Für diese Art von Geräten soll das Polymer bestimmte Ionen und biochemische Verbindungen in das Polymer eindringen und es dotieren lassen, was wiederum seine elektrochemischen halbleitenden Eigenschaften modulieren kann. "Die Fluktuation der elektrochemischen Eigenschaften ist das, was wir tatsächlich als Ausgangssignal des OECT messen", sagt er.
Das Team musste sich mehreren chemischen Herausforderungen stellen, da selbst geringfügige Veränderungen in der Polymerstruktur erhebliche Auswirkungen auf die Leistung haben können. Viele andere Forschungsgruppen haben versucht, dieses spezielle Polymer herzustellen, aber das Team der KAUST ist das erste, dem dies gelungen ist. Ihre Innovation basiert auf Polymeren, den so genannten Polythiophenen, an die chemische Gruppen, die so genannten Glykole, an genau kontrollierten Positionen gebunden sind. Ein Schlüsselaspekt des Durchbruchs war die Fähigkeit, die Position der Glykolgruppen in einer Weise zu kontrollieren, die bisher nicht möglich war.
"Das richtige Polymerdesign zu finden, das alle gewünschten Kriterien erfüllt, ist der schwierige Teil", sagt Hallani. "Manchmal kann das, was die Leistung des Materials optimieren kann, seine Stabilität negativ beeinflussen, so dass wir sowohl die energetischen als auch die elektronischen Eigenschaften des Polymers im Auge behalten müssen.
Um das richtige Design zu finden, wurde eine ausgeklügelte chemische Computermodellierung eingesetzt. Das Team wurde auch durch spezielle Röntgenstreuungsanalysen und Rastertunnel-Elektronenmikroskopie unterstützt, um die Struktur ihrer Polymere zu überwachen. Diese Techniken zeigten, wie die Lage der Glykolgruppen die Mikrostruktur und die elektronischen Eigenschaften des Materials beeinflusste.
"Wir sind begeistert von den Fortschritten, die Rawad bei der Polymersynthese gemacht hat, und wir freuen uns jetzt darauf, unser neues Polymer in spezifischen Biosensorgeräten zu testen", sagt Iain McCulloch vom KAUST-Team, das auch an der Universität Oxford in Großbritannien tätig ist. McCulloch sagt, dass die Forschungsgruppe jetzt versucht, die Stabilität ihrer Polymere und der daraus hergestellten Sensoren zu verbessern, um von den Labordemonstrationen zu realen Anwendungen überzugehen.
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