Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-31145
Title: Organic electrochemical transistors based on PEDOT:PSS for the sensing of cellular signals from confluent cell layers down to single cells
Author(s): Hempel, Felix Wolfgang
Language: English
Year of Publication: 2019
Place of publication: Homburg/Saar
SWD key words: Biosensor
Free key words: organisch elektrochemische Transistoren
PEDOT:PSS
biologische Messungen
DDC notations: 570 Life sciences, biology
610 Medicine and health
Publikation type: Doctoral Thesis
Abstract: Einleitung: Organisch elektrochemische Transistoren basierend auf dem Polymer poly(3,4- ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) sind Biosensoren, welche p-Typ Transistor Charakteristika zeigen basierend aus der Bewegung von Kationen in und aus der Polymerschicht. Die Sensorkonfiguration besteht aus drei Kontakten: der Source, dem Drain und der Gate-Elektrode, wobei die Polymerschicht durch einen Elektrolyten von der Gate-Elektrode getrennt ist. Die Kationen aus dem Elektrolyten werden durch die angelegte Spannung in das PEDOT:PSS geleitet, wo sie die offenen Sulfonat-Anionen des PSS kompensieren. Dies wiederum erhöht die Dichte der Löcher im PEDOT, was zu einem Abfall des Drain-Stroms führt. Dieser Stromabfall resultiert in der Ausschaltung des Sensors. Dieses Sensorverhalten kann für die unterschiedlichsten biologischen Messungen verwendet werden. Die OECTs können für die Detektion von elektrisch aktiven Zellen genutzt werden und erlauben gleichzeitig auch die Messung der Zelladhäsion. Die Nutzung dieser Sensoren für die Messung von Daten aus konfluenten Zellschichten bis zu Einzelzellmessungen in Kombination mit einer mathematischen Beschreibung der Ergebnisse wurde bisher noch nicht gezeigt. Ergebnisse: Um universal einsetzbare, hoch-sensitive und transparente Sensoren zu produzieren, wurden etablierte Reinraumprozesse in neuer und vereinfachter Weise genutzt. Faktoren die während der Sensorherstellung zu Schädigungen der Polymerschicht führen könnten, wie z.B. Ultraviolettstrahlung, wurden komplett eliminiert. Die Sensoren wurden bezüglich ihrer elektrischen Fähigkeiten und ihrer Stabilität in nassen sowie trockenen Umständen getestet. Das Testverfahren ermöglichte die Festsetzung der optimalen Parameter für die Herstellung der organisch elektrochemische Transistoren. Als wichtigster Faktor für das Sensorverhalten wurde das Volumen der Polymerschicht bestimmt. Das Volumen des PEDOT:PSS bestimmt die elektrischen Eigenschaften der Sensoren. Bleibt das Volumen der Polymerschicht für die Sensoren konstant, so wird die gleiche Transkonduktanz gemessen, eine Änderung in der Schichtdicke führt jedoch zu einem andern Verhalten bezüglich der Grenzfrequenz. Dünnere Schichten zeigen eine Erhöhung der Grenzfrequenz, wobei dickere Schichten einen gegenteiligen Effekt zeigen. Aus diesem Grund musste ein optimiertes Design erstellt werden, um die richtige Funktion der Sensoren für die geplanten Experimente zu gewährleisten. Unterschiedliche Zelltypen wurden genutzt, um ein breites Spektrum an Anwendungen für die fabrizierten Sensoren zu testen. Herzzellen wurden für die Messung von extrazellulären Aktionspotenzialen eingesetzt. Die getesteten Sensoren zeigten ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis mit schnellen Messzeiten, was sie zu idealen Sensoren für Aktionspotenzialmessungen macht. Zur selben Zeit wurden Transistor-Transferfunktionsmessungen durchgeführt, um die Fähigkeiten der Sensoren im Bereich der Impedanzmessungen zu ergründen. Diese Art von Messungen wurde bisher noch nicht publiziert. Durch die Verwendung von dicht wachsenden Madin-Darbey Kidney Zellen konnte die Änderung der Zellimpedanz durch Änderungen in den Zellverbindungen gemessen werden. Im Gegensatz zu den Madin-Darbey Kidney Zellen wachsen Human Embryo Kidney Zellen ohne Zellverbindungen. Da die Messung von dichten Zellkulturen nur Aussagen über die Population von Zellen als Ganzes erlaubt, wurden neue Protokolle entwickelt, um auf Einzelzelllevel zu messen. Die organisch elektrochemische Transistoren zeigten die Fähigkeit, Aktionspotenziale von Zellen sowie deren Adhäsion mit hoher Reproduzierbarkeit und Präzision zu messen. Organisch elektrochemische Transistoren, die die Transistor-Transferfunktion bis hinunter auf Einzelzellebene nutzen wurden bisher noch nicht gezeigt. Zusätzlich wurde ein mathematisches Modell entwickelt, um die Zellparameter aus den gewonnenen Daten zu ermitteln. Das mathematische Modell dient dabei der Verbesserung des Verständnisses bezüglich der Interaktion von Zellen und den Sensoren. Die Kombination aus den gezeigten Biosensoren mit optischer Transparenz und der Möglichkeit des mathematischen Fittens der Daten erlauben die Möglichkeit für unzählige Experimente. Ausblick: Die gezeigten Sensoren bieten eine exzellente Plattform für die Biosensorik mit der Möglichkeit für viele zukünftige Anwendungen. Die Sensoren sind dabei nicht auf die gezeigten Anwendungen limitiert, sondern können mit einfachen Mitteln für die unterschiedlichsten Zwecke angepasst werden.
Summary: Organic electrochemical transistors based on the polymer poly(3,4- ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) are biosensors which use the movement of cations into and out of the polymer layer to generate a behavior that mimics p-type transistors. The device configuration has a source contact, a drain contact, and a gate electrode, which is separated from the polymer layer by an electrolyte. The cations of the electrolyte enter the PEDOT:PSS and compensate the pendant sulfonate anions on the PSS which increases the hole density in PEDOT. This results in a decrease of the drain current and a switching of the device into the off state. Using this device behavior, several biological signals can be detected. The OECTs can be used for the detection of action potentials of electrogenic cells, but also enable the measurement of the adhesion of cells to the device. The utilization of these devices for the measurement of confluent cell layers down to single cells in combination with a mathematical description was not shown so far. Results: In order to achieve versatile, highly sensitive, and transparent sensors, the fabrication of the devices with standard cleanroom processes was established in a unique and simplified way. Deteriorating factors such as exposure to ultraviolet radiation and contact with water were eliminated from the fabrication process. The sensors were characterized in regards to their electrical performance and stability in dry and wet conditions. The gathered results were used to generate a protocol for the best performing chips. Based on the generated data protocols for the fabrication, chemical post-treatment, as well as device operation, were established. Different sensing areas of the polymer layer were tested to determine their advantages for biosensing. The crucial factor for the devices was based on the volume of the deposited polymer layer. By keeping the volume of the PEDOT:PSS constant the transconductance remains the same, however thicker PEDOT:PSS layers resulted in devices with a comparatively lower cutoff frequency while thinner polymer layers resulted in a comparatively higher cutoff frequency. Therefore, an optimized chip layout had to be made to guarantee the functionality of the devices for their applications. Different cell types were used to test the devices towards their cell-sensing capabilities. Cardiomyocytes were used to establish the sensors for action potential measurements, and it was found that the sensors inherit a high signal-to-noise ratio making these devices ideal candidates for action potential measurements. At the same time, the impedimetric capabilities of the devices were investigated according to transistor-transfer function measurements which were not shown before with PEDOT:PSS based organic electrochemical transistors. By using densely growing cells, such as the Madin-Darby canine kidney cells, the change in impedance spectra towards changes in gap junction resistance could be proven. Human embryo kidney cells were used to investigate the behavior of dense cell cultures when no gap junctions are present. Since the observation of dense cellular cultures only allows for experiments on an arbitrary amount of cells, a protocol was established, and the devices were tested for measurements on a single cell level. The devices showed the capability for measurements of action potentials with the additional impedimetric data in high precision and reproducibility. Devices utilizing transistor-transfer function measurements with organic electrochemical transistors down to single cell level have not been shown so far. In addition, a new mathematical model was developed in order to calculate the cell-related parameters which demonstrate the distance between the cell and the polymer, offering a closer insight into the cellular attachment and detachment behavior. In combination with the fitting, the present platform was established with several possible applications ranging from confluent cells down to single cells while also offering the possibility of optically controlling the cell behavior due to the transparency of the devices. Outlook: The established devices offer an excellent biosensing platform which can be used in several future applications. The devices are not limited to the shown applications and can be altered to fit the desired use.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291--ds-311457
hdl:20.500.11880/29302
http://dx.doi.org/10.22028/D291-31145
Advisor: Hoth, Markus
Date of oral examination: 9-Jun-2020
Date of registration: 22-Jun-2020
Faculty: M - Medizinische Fakultät
Department: M - Biophysik
Professorship: M - Prof. Dr. Markus Hoth
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