Biosensorer: en pappersbaserad plattform som känner av narkotika
Kasserad elektronik är en avfallstyp som det snabbt blir mer och mer av, och omkring hälften av plastavfallet från elektrisk och elektronisk utrustning i EU återvinns inte ordentligt, eller inte alls. Pappersbaserad elektronik är ett forskningsområde där det händer mycket, och nu kommer de första produkterna in på marknaden. Vanligt papper lämpar sig dock inte för tryckt elektronik pga. sina ytegenskaper. Vanligen krävs det plastöverdrag, och då blir de fördelar man åstadkommer minimala. Nyckeln till en elektronik baserad på papper kan vara cellulosa, en framträdande del av strukturen i gröna växters cellväggar och en av de vanligast förekommande polymererna i naturen. I det EU-finansierade projektet GREENSENSE har man utvecklat nanocellulosabaserade filmer, överdrag och bläck samt halvautomatiserade tillverkningsprocesser, som lett till nya cellulosabaserade biosensorplattformar för att analysera missbruksdroger. GREENSENSE-konsortiet har 17 medlemmar, med deltagare från sex EU-länder samt Israel, Jordanien och Storbritannien, och här sammanstrålar experter på materialvetenskap, fysik, biokemi och elektronik. Konsortiet hjälpte teamet att fokusera på materialen och processerna för att producera nanocellulosabaserad elektronik, men även på att uppfylla internationella standarder för tryckt elektronik och på möjligheten att utöka alla processerna för kommersiell tillverkning.
Filmer, överdragna papperskretskort, bläck och elektroniska komponenter baserade på nanocellulosa
Konsortiet producerade åtskilliga typer av funktionaliserade cellulosananofibrer och cellulosananokristaller med möjlighet att producera flera ton per år. Av dessa material tillverkades fristående nanocellulosafilmer och nanocellulosaöverdragna papperskretskort med storskaliga produktionsmetoder, och deras egenskaper karaktäriserades. Teamet tog också fram ett antal nanocellulosabaserade bläcktyper (konduktiva, elektrokemiska och elektrolytiska för elektrokromatiska displayer och energilagringstillämpningar) på upp till 50 kilo per parti. Bläcken karaktäriserades enligt internationella standarder för tryckt elektronik (IEC 62899). ”Vi utnyttjade våra nanocellulosabaserade material och produktionsmetoder för att designa och tillverka högpresterande tryckta elektronikkomponenter: antenner för närfältskommunikatorer, superkondensatorer, primärbatterier och elektrokromatiska displayer. Över 1 500 exemplar tillverkades”, berättar projektsamordnaren Sandra Martínez-Crespiera på Leitat.
Nanocellulosabaserade biosensorer och sensorplattformar
Tack vare arbetet med nanocellulosabaserade material, komponenter och processer kunde man utveckla biosensorer för att upptäcka missbruksdroger med ett redoxaktivt bläck (det kan ta emot eller avge elektroner i redoxreaktioner, vilket underlättar elektrokemisk avkänning) och en hydrogel. Biosensorernas analytiska prestanda bekräftades genom noggranna prov. ”I GREENSENSE utvecklades ett mikrochip med gränssnitt för den cellulosabaserade biosensorn, strömhantering och en identifieringstagg för radiofrekvenser. Här ingick möjligheten till energiskörd för att ladda anslutna energilagringssystem och displayer. Biosensorerna byggdes in i biosensorplattformar som tillverkades i stor skala (upp till 75 enheter) genom halvautomatiserade processer på substrat på ca 300 x 350 mm² (8 plattformar per ark)”, förklarar Martínez. Plattformarna genomgick mekaniska tester och tester av vidhäftningsförmåga och åldrande enligt internationella standarder (IEC 62951), och man utvecklade en smartphoneapp så att användningen skulle gå smidigt. Martínez sammanfattar: ”Till skillnad från konventionella plastset för kvalitativ urinanalys använder GREENSENSE:s bärbara biosensorplattform för missbruksdroger nanocellulosabaserad elektronik och bläck, och lagrar numeriska data. Genom de här plattformarna kommer vi att kunna ha bättre koll på olagligt och potentiellt farligt beteende, både på brottsbekämpningsnivå och i hemmet och skolan, bara med ett litet återvinningsbart papper.”
Keywords
GREENSENSE, nanocellulosa, tryckt elektronik, bioavkänning, biosensorer, missbruksdroger, droger, avfall från elektrisk och elektronisk utrustning, elektrokemiska sensorer