Ett nytt organiskt (kolbaserat) halvledande material har utvecklats som överträffar befintliga alternativ för att bygga nästa generations biosensorer. Ett internationellt forskarlag ledd av KAUST är först med att övervinna några kritiska utmaningar i utvecklingen av denna polymer.

Mycket forskningsansträngning läggs för närvarande på nya typer av biosensorer som interagerar direkt med kroppen för att upptäcka viktiga biokemikalier och fungerar som indikatorer på hälsa och sjukdom.

"För att en sensor ska vara kompatibel med kroppen, vi måste använda mjuka organiska material med mekaniska egenskaper som matchar biologiska vävnader, säger Rawad Hallani, en tidigare forskare i KAUST-teamet, som utvecklade polymeren tillsammans med forskare vid flera universitet i USA och Storbritannien.

Hallani förklarar att polymeren är designad för användning i enheter som kallas organiska elektrokemiska transistorer (OECT). För dessa typer av enheter, polymeren ska tillåta specifika joner och biokemiska föreningar att tränga in i polymeren och dopa den, som i sin tur kan modulera dess elektrokemiska halvledande egenskaper. "Fluktuationen i de elektrokemiska egenskaperna är vad vi faktiskt mäter som en utsignal från OECT, " han säger.

Teamet fick möta flera kemiska utmaningar eftersom även mindre förändringar i polymerens struktur kan ha en betydande inverkan på prestandan. Många andra forskargrupper har försökt göra just denna polymer, men KAUST-teamet är det första som lyckas.

Deras innovation är baserad på polymerer som kallas polytiofener med kemiska grupper som kallas glykoler fästa i exakt kontrollerade positioner. Att lära sig hur man kontrollerar placeringen av glykolgrupperna på sätt som inte tidigare uppnåtts var en nyckelaspekt av genombrottet.

"Att identifiera rätt polymerdesign för att passa alla kriterier som du letar efter är den svåra delen, ", säger Hallani. "Ibland kan det som kan optimera materialets prestanda påverka dess stabilitet negativt, så vi måste ha i åtanke de energiska såväl som de elektroniska egenskaperna hos polymeren."

Sofistikerad beräkningskemimodellering användes för att hjälpa till att uppnå rätt design. Teamet fick också hjälp av specialiserad röntgenspridningsanalys och scanning tunnelelektronmikroskopi för att övervaka strukturen av deras polymerer. Dessa tekniker avslöjade hur placeringen av glykolgrupperna påverkade materialets mikrostruktur och elektroniska egenskaper.

"Vi är glada över de framsteg som Rawad gjort med polymersyntesen, och vi ser nu fram emot att testa vår nya polymer i specifika biosensorenheter." säger Iain McCulloch från KAUST-teamet, som också är knuten till University of Oxford i U.K.