Construire de meilleurs biocapteurs à partir de la molécule

David Ohayon | Sahika Inal

Les transistors électrochimiques organiques (OECT) sont des dispositifs innovants qui pourraient être transformés en biocapteurs implantables ou utilisés pour analyser des échantillons biologiques afin d’aider au diagnostic de maladies. Les chercheurs de KAUST ont étudié comment les polymères semi-conducteurs à l’intérieur des OECT interagissent avec les ions présents dans les échantillons, une étape cruciale dans la conception de matériaux qui ajustent les performances de ces dispositifs pour des applications particulières

« La technologie progresse rapidement, et certaines sondes basées sur les OECT ont déjà été utilisées dans le cadre de recherches cliniques, en particulier en neurosciences pour l’interfaçage entre le cerveau et les dispositifs électroniques », précise Sahika Inal, qui a dirigé la recherche. Dans les applications de biodétection, explique-t-elle, les OECT pourraient fonctionner directement dans le sang, la sueur ou la salive ; ils pourraient également être utilisés pour détecter des virus ou d’autres agents pathogènes dans des échantillons liquides.

Les OECT contiennent un film polymère capable de transporter un courant entre deux électrodes. Ces polymères sont connus sous le nom de conducteurs ioniques-électroniques mixtes organiques. Le film entre en contact avec un échantillon à base d’eau contenant divers ions, qui sont des atomes ou des molécules chargés positivement ou négativement. Une troisième électrode délivre une tension qui entraîne un type d’ions (par exemple, les ions positifs, appelés cations) de l’eau vers le film polymère, ce qui augmente le flux de courant et produit un signal.

Les chercheurs pensaient auparavant que les autres ions présents dans l’électrolyte (les ions négatifs, appelés anions) étaient des spectateurs dans ce processus et n’affectaient pas les performances du dispositif. Mais l’équipe de la KAUST a maintenant découvert que ce n’est pas toujours vrai : ces anions ont parfois un effet profond sur les performances des OECT.

Les chercheurs ont fabriqué des OECT à partir de deux polymères semi-conducteurs différents. Le premier, le P-100, est basé sur des molécules dont la chaîne principale repousse l’eau, mais dont les chaînes latérales attirent les molécules d’eau et les ions qu’elles transportent. Le second polymère, le BBL, ne possède pas ces chaînes latérales.

L’équipe a testé les dispositifs avec de l’eau contenant des ions sodium positifs et l’un des cinq anions différents. Avec le polymère BBL, le type d’anion n’avait aucune incidence sur les performances de l’OECT, car tous les anions, à l’exception des plus gros, s’infiltrent aussi bien dans les films BBL. En revanche, le dispositif P-100 a montré des variations considérables dans ses performances. Avec des anions à base d’un seul atome, tels que le chlorure ou le bromure, le dispositif P-100 avait une sensibilité relativement bonne. Cependant, avec des anions plus gros, les performances ont diminué de 90 % en une heure.

« En comprenant mieux ces interactions, les chercheurs peuvent mieux adapter les OECT à des applications spécifiques, qu’il s’agisse d’optimiser la stabilité, la sélectivité, l’amplification du signal ou la biocompatibilité », explique David Ohayon, membre de l’équipe, aujourd’hui à l’Université nationale de Singapour.

Par exemple, les OECT conçus pour mesurer les ions impliqués dans les processus biologiques devraient être capables de différencier clairement ces ions. D’autres applications peuvent nécessiter que les OECT fonctionnent indépendamment des ions présents. « C’est précisément pour cette raison qu’il est si important de comprendre comment les différents ions affectent les performances des dispositifs », explique M. Ohayon.

« Cette recherche pourrait avoir des implications plus larges pour d’autres dispositifs », ajoute M. Inal. « Ces résultats pourraient également contribuer au développement de supercondensateurs et de batteries à base de composés organiques, où la compréhension de l’interaction des ions avec la matrice polymère peut aider à optimiser le stockage de charge et à améliorer la stabilité des électrodes organiques. »

Ohayon, D., Hamidi-Sakr, A., Surgailis, J., Wustoni, S., Dereli, B., Wehbe, N., Nastase, S., Chen, X., McCulloch, I., Cavallo, L. and Inal, S. Impact of noncompensating ions on the electrochemical performance of n‐type polymeric mixed conductors. Journal of the American Chemical Society 147, 12523−12533 (2025).| DOI : 10.1021/jacs.4c17579.