Transistor organique à effet de champ à grille électrolytique pour le suivi d’organismes photosynthétiques

Electrolyte-gated organic field effect transistor for the monitoring of photosynthetic organisms

• Auteur / Autrice : Jérémy Le Gall
• Direction : Benoît Piro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électrochimie moléculaire et biologique
• Date : Soutenance le 08/06/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, traitements, organisation et dynamique des systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : François Maurel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lylian Challier, Béatrice Lauga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Launay, Esma Ismailova
• DOI : 10.70675/3c2de168z6e03z412az9282zcd599e8c7192

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors organiques à effet de champ

Microalgues

Biocapteurs

Cyanobactéries

Photosynthèse

Fonctionnalisation chimique

Hydrocolloïdes

Polluants organiques

Microalgues

Photosynthèse

Mots clés libres

Transistor organique à grille électrolytique

Capteur d’oxygène

Microalgue

Cyanobactérie

Photosynthèse

Fonctionnalisation

Hydrogel

Polluants organiques

Electrolyte-gated organic field effect transistor

Oxygen sensor

Microalgae

Cyanobacteria

Photosynthesis

Functionalization

Hydrogel

Organic pollutants

Résumé

Ces dernières années, les progrès de la microfabrication ont rendu accessibles aux laboratoires publics des technologies permettant la réalisation, à relativement faible coût, de dispositifs électroniques, que ce soit dans le domaine des diodes électroluminescentes, des dispositifs photovoltaïques ou des transistors. Par ailleurs, en parallèle des transistors à effet de champ classiques (MOSFET), ont été développées des architectures novatrices, telles que les transistors organiques électrochimiques (OECT) ou, plus récemment encore, les transistors organiques à effet de champ à grille électrolytique (EGOFET). Les OECT sont aujourd’hui très étudiés, notamment pour le suivi de cultures cellulaires. Les EGOFET, qui pourtant travaillent également en milieu aqueux, n’ont jusqu’à maintenant jamais été décrits pour de telles applications. Ces transistors semblent pourtant parfaitement adaptés pour le suivi de culture cellulaire puisqu’ils permettent aussi l’utilisation d’un milieu de culture cellulaire en contact direct avec les parties actives du transistor.- Pour pouvoir effectuer le suivi chimique d’une culture cellulaire, nous proposons ici un suivi direct de la concentration en O2 dissous dans l’électrolyte d’un transistor EGOFET, au travers de son électroréduction sur l’électrode de grille. Ces résultats nous ont permis de suivre l’activité photosynthétique de différents organismes en mesurant les variations du courant de drain des EGOFET. En effet, durant la photosynthèse, ces organismes produisent de l’O2 qui, en se réduisant sur la grille, fait chuter l’effet de champ ressenti au niveau du semi-conducteur organique. Il s’ensuit une variation forte (car amplifiée par effet transistor) du courant de drain, qui permet de suivre la respiration cellulaire. Comme première optimisation de ce dispositif original, nous avons fonctionnalisé l’électrode de grille par les organismes photosynthétiques (ici, dans un hydrogel d’alginate) pour pouvoir détecter des polluants organiques ou métaux lourds. Des perspectives applicables sont également les transistors au graphène en développement au laboratoire.

Progresses in microfabrication have made leading-edge technologies available to public laboratories. This has enabled the development of electronic devices in the field of light-emitting diode, photovoltaic cells or even transistors, at relatively small costs. Furthermore, simultaneously to classical field-effect transistors (MOSFET), innovative technologies have been developed, such as organic electrochemical transistor (OECT) or, more recently, electrolyte-gated organic field-effect transistors (EGOFET). While OECTs have been extensively studied for cell culture monitoring, EGOFETs have never been described for that kind of application, despite these transistors being seemingly perfect. Indeed, their possibility of being gated with cell culture medium in direct contact with active parts of the transistor make them ideal for the monitoring of cell cultures.To be able to chemically monitor cell culture, we propose to directly follow in situ dissolved O2 concentration in the electrolyte of an EGOFET, through its electroreduction on the gate electrode. These results allowed us to monitor photosynthetic activity of two different kinds of organisms by measuring EGOFETs’ drain current variations. Indeed, during diurnal step, photosynthetic organisms produce O2 that, by being reduced on the gate, bring down field effect sensed on the organic semiconductor. A strong drain current variation follows (amplified by transistor effect), allowing us to monitor cellular respiration. As first optimisation of the innovative device, we functionalised the gate electrode with photosynthetic organisms, using an alginate hydrogel, to be able to detect organic pollutants or heavy metals. These results lead to new perspectives being developed at the present time using graphene instead of organic semi-conductor.