Large arrays of water-gated thin film transistors for ultra-sensitive biosensing applications

In the last few decades, Organic electronics emerged as one of the most promising fields in research, setting the premises for an entire range of new applications, taking advantage of unique properties like flexibility of materials and substrates and the possibility to process them through cheap, solution-based techniques. Electrolyte-Gated Thin Film Transistors (EGTFTs) combine such properties with the ability to work by incorporating liquid electrolytes, and in particular aqueous electrolytes. This allows to generate high electronic signals with sub-volt operation, making these devices able to operate as biosensors directly in the environment and in the conditions ideal for the biomolecules and biomarkers under investigation. This dissertation recaps the state of the art of biosensor devices before addressing specifically EGTFTs, identifying the parameters that can be optimized in order to fabricate ultra-sensitive devices and achieve single molecule detection. A fabrication method for these devices on flexible plastic substrates employing large-area, scalable techniques like inkjet-printing is proposed, demonstrating EGTFTs able to achieve single molecule detection of critically important biomarker like MUC1 and KRAS, identified as possible precursors for the early diagnosis of pancreatic cancer. The fabrication process is then extended to the realization of 4x4 and 8x12 arrays of EGTFTs, compatible with commercial ELISA well plates for an easy implementation of a possible diagnostic platform, based on this system, with already existing practices and machinery commonly employed in modern diagnosis. In fact, large matrices of biosensors are necessary in practical applications for performing multiple assays in parallel, across several different biomarkers and including at the same time the evaluation of calibration curves. Finally, fully printed 4x4 arrays are demonstrated, by directly inkjet-printing all components of the transistors, comparing then their performances with the devices realized previously, and confirming how printed electronics is a discipline indeed able to produce devices with outstanding electronic properties, without relegating them to a proof-of-concepts level, but can make the next step necessary towards industrial, large area production and commercialization.

Negli ultimi decenni, l'elettronica organica è emersa come uno dei campi di ricerca più promettenti, ponendo le premesse per un'intera gamma di nuove applicazioni, sfruttando proprietà uniche come la flessibilità dei materiali e dei substrati e la possibilità di processarli a basso costo, tramite tecniche di deposizione da soluzione. Gli Electrolyte-Gated Thin Film Transistors (EGTFT) combinano tali proprietà con la capacità di lavorare incorporando all’interno della propria struttura elettroliti solidi o liquidi, e in particolare elettroliti acquosi. Ciò consente di generare elevati segnali elettronici con input al di sotto del singolo volt, rendendo questi dispositivi in grado di operare come biosensori direttamente nell'ambiente e nelle condizioni ideali per le biomolecole e i biomarker di interesse. Questa tesi riassume lo stato dell'arte dei biosensori prima di affrontare in modo specifico gli EGTFT, identificando i parametri che possono essere ottimizzati al fine di fabbricare dispositivi ultrasensibili, fino a riuscire a identificare singole molecole. Viene proposto un metodo di fabbricazione per questi dispositivi su substrati plastici flessibili che impiegano tecniche scalabili e di ampia area, come la inkjet printing, dimostrando EGTFT in grado di rilevare singole molecole di biomarker di importanza critica come MUC1 e KRAS, identificati come possibili precursori per la diagnosi precoce del tumore al pancreas. Il processo di fabbricazione viene quindi esteso alla realizzazione di array 4x4 e 8x12 di EGTFT, compatibili con piatti ELISA commerciali per una facile implementazione di una possibile piattaforma diagnostica, basata su questo sistema, con pratiche e macchinari già esistenti e comunemente impiegati nella diagnosi moderna. infatti, grandi matrici di biosensori sono necessarie nelle applicazioni pratiche per eseguire più test in parallelo, valutando la presenza di diversi tipi di biomarker e includendo allo stesso tempo la definizione delle curve di calibrazione necessarie per la quantificazione degli analiti. Infine, vengono dimostrati array 4x4 completamente stampati, depositando direttamente tramite inkjet-printing tutti i componenti dei transistor, e confrontando poi le loro prestazioni con i dispositivi realizzati in precedenza. I risultati confermano come l'elettronica stampata sia una disciplina davvero in grado di produrre dispositivi con proprietà elettroniche eccezionali, senza essere per forza relegata a un ruolo di proof-of-concept, ma è in grado di fare il passo successivo necessario verso la produzione e la commercializzazione industriale su vasta area.