Il perossido di idrogeno (H2O2) è un sottoprodotto ubiquitario di numerose reazioni biochimiche catalizzate da enzimi, incluse quelle mediate da lattato ossidasi, glutammato ossidasi e glucosioossidasi 1. La sua presenza pervasiva in un'ampia gamma di processi fisiologici e patologici 2,3,4 la rende una biomolecola fondamentale per comprendere la salute umana e gli stati patologici. Pertanto, una rilevazione accurata diH2O2 a concentrazioni ultra-basse è essenziale per ottenere informazioni precise sulle condizioni corporee, suscitando un notevole interesse tra i ricercatori nello sviluppo di metodologie di rilevamento sensibili con un basso limite di rilevamento (LOD).
I metodi tradizionali di rilevamento H2O 2 5,6, come spettroscopia, cromatografia e chemiluminescenza, hanno gettato le basi per l'analisi quantitativa ma soffrono di limitazioni intrinseche che ne ostacolano la diffusa applicabilità. Queste tecniche si basano tipicamente su strumenti ingombranti e costosi e richiedono competenze professionali specializzate, rendendole poco pratiche per situazioni di rilevamento in loco, portatili o al punto di cura. Pertanto, vi è un bisogno urgente di tecnologie alternative di rilevamento che combinino alta sensibilità con miniaturizzazione, basso costo e facilità d'uso.
Con l'avanzamento delle micro-nanotecnologie, i transistor elettrochimici organici (OECT) sono emersi come una piattaforma promettente per applicazioni di biosensing, grazie ai loro vantaggi intrinseci, tra cui miniaturizzazione, bassa tensione operativa, eccellente capacità di amplificazione del segnale e biocompatibilità 7,8,9. I sensori basati su OECT sono stati sempre più esplorati per il rilevamento di H2O2, con un focus principale sulla modifica di materiali sensibili a H2O2 su microelettrodi per aumentare la sensibilità al rilevamento. Ad esempio, Cicoira et al.10 hanno costruitoun sensore H2O 2 basato su OECT con un intervallo di rilevamento lineare da 5 μM a 103 μM e un basso LOD di 5 μM quando Pt veniva utilizzato come materiale sorgente, drenaggio e porta. Guo et al.11 hanno fabbricato un OECT su un substrato flessibile in polietileno (etilene tereftalato)(PET) e un supporto per pozzo trans. Il dispositivo utilizzava un elettrodo di pasta di carbonio serigrafato modificato con nanotubi di carbonio e nanoparticelle Pt come elettrodo di porta, e PEDOT: PSS come materiale del canale, mostrando un intervallo di rilevamento lineare di 0,5-100 μM e un LOD di 0,2 μM per H2O 2. Qi et al.12 hanno riportato un OECT monocorporeo omocinetico a conduttore ionico-elettronico misto (OMIEC) ambipolare di tipo obipolare, che ha mostrato un intervallo di rilevamento lineare da 0,001-100 μM e un LOD di 1 nM perH2O 2. Il sensore H2O2 menzionato ha ottenuto un basso LOD principalmente dipendente dal potenziale Nernst generato dall'elettrodo a gate basato su Pt che catalizza H2O2, che poteva regolare lo stato elettrochimico (de) di doping dello strato del canale per sfruttare l'eccellente capacità di amplificazione del segnale. Pertanto, studi precedenti in questo campo hanno stabilito una solida base teorica ed esperimentale per ulteriori ottimizzazioni.
L'obiettivo principale di questo studio è sviluppareun sensore H2O2 basato su OECT altamente controllabile e sensibile, sfruttando ulteriormente il potenziale di Nernst, un meccanismo chiave alla base delle prestazioni dei sensori elettrochimici. Per raggiungere questo obiettivo, proponiamo un meccanismo sinergico del potenzialedi Nernst 13, che si basa su una reazione a cascata che coinvolge due componenti chiave: elettrodi a gate basati su PT che elettrocatalizzanoH2O2, e uno strato di canale semiconduttore impilato (PEDOT: BTB/PEDOT: PSS) che interagisce con ioni idrogeno generati come sottoprodotto di H2O2 catalisi. Questo design si basa su ricerche consolidate: il blu di bromotimolo (BTB), un noto indicatore chimico per acidi deboli ebasi 14, è stato integrato con successo con PEDOT (come PEDOT: BTB) sulla porta OECT o strato canale per il rilevamento del pH in studi precedenti, validando la fattibilità della reazione a cascata centrale nel nostro approccio.
Rispetto ai metodi alternativi di rilevamento H₂O₂ basati su OECT, la nostra strategia sinergica Nernst Potential offre vantaggi distinti. A differenza dei progetti convenzionali che si basano esclusivamente sull'attività catalittica degli elettrodi di gate basati su Pt per generare potenziale Nernst, il nostro approccio migliora la controllabilità accoppiando questo processo catalittico con il comportamento reattivo al pH dello strato di canale impilato. Questa sinergia non solo migliora la sensibilità del sensore, ma ne migliora anche la stabilità e la regolabilità, affrontando le principali limitazioni dei sensori esistenti basati su OECT. Inoltre, questa tecnica è in linea con la tendenza più ampia del biosensing basato sull'OECT, che enfatizza l'integrazione di materiali funzionali e meccanismi di reazione innovativi per spingere i limiti delle prestazioni di rilevamento.
Nel contesto della più ampia letteratura sulla rilevazioneelettrochimica 15,16,17,18,19,20,21, gli OECT sono diventati una pietra angolare del biosensing portatile grazie alla loro capacità di amplificare segnali elettrochimici deboli, rendendoli ideali per il rilevamento di analiti a bassa concentrazione. Il nostro lavoro si basa su questa base perfezionando il meccanismo potenziale guidato da Nernst, offrendo una nuova prospettiva su come ottimizzare le prestazioni OECT per il rilevamento H2O2. Per i lettori che considerano l'applicabilità di questo metodo, il nostro design è particolarmente adatto a scenari che richiedono alta sensibilità, portabilità e controllabilità, come la diagnostica al punto di cura, il monitoraggio in vitro e l'analisi ambientale o biologica di campioni in loco, dove i metodi tradizionali sono poco pratici. Chiarendo il quadro concettuale e i vantaggi del nostro approccio, questa introduzione fornisce ai lettori il contesto necessario per valutare se questo metodo è allineato alle loro specifiche esigenze applicative.