Biomedical Diagnostics Enabled by Integrated Organic and Printed Electronics

© 2017 American Chemical Society. Organic and printed electronics integration has the potential to revolutionize many technologies, including biomedical diagnostics. This work demonstrates the successful integration of multiple printed electronic functionalities into a single device capable of the measurement of hydrogen peroxide and total cholesterol. The single-use device employed printed electrochemical sensors for hydrogen peroxide electroreduction integrated with printed electrochromic display and battery. The system was driven by a conventional electronic circuit designed to illustrate the complete integration of silicon integrated circuits via pick and place or using organic electronic circuits. The device was capable of measuring 8 μL samples of both hydrogen peroxide (0-5 mM, 2.72 × 10 -6 A·mM -1 ) and total cholesterol in serum from 0 to 9 mM (1.34 × 10 -8 A·mM -1 , r 2 = 0.99, RSD < 10%, n = 3), and the result was output on a semiquantitative linear bar display. The device could operate for 10 min via a printed battery, and display the result for many hours or days. A mobile phone "app" was also capable of reading the test result and transmitting this to a remote health care provider. Such a technology could allow improved management of conditions such as hypercholesterolemia

Painetut entsymaattiset glukoosi/ilma paristot: suorituskyky, stabiilisuus ja massatuotanto

The enzymatic biofuel cell (EBFC) converts the chemical energy of biofuel into electricity via bioelectrochemical reactions. The use of enzymes confers many advantages over metal catalysts e.g. renewability and low toxicity. However, enzymes are fairly sensitive to changes in temperature, pH and moisture. For this reason, enzymes are typically immobilized on electrodes either by chemical or physical adsorption. The electrodes are usually immersed in a liquid cell containing an optimised electrolyte. Hence, the conventional EBFC configuration is not practical and for this reason, a new type of EBFC was developed. In this thesis, screen printed enzymatic electrodes (4-12 cm2) were fabricated on paper-based substrates using enzymatic inks creating thin (ca. 1 mm) and bendable EBFCs. The outcome of this thesis was a mass-manufacturable glucose/air biobattery that can be stored as dry and activated on demand by buffer. The power output of these biobatteries was on µW scale, however multiple suggestions for achieving higher performance are presented in this thesis. This biobattery could be integrated e.g. with low-power sensors, RFID tags or even cosmetic/medical skin patches. At the anode, commercial glucose oxidase (GOx) and in-house purified aldose dehydrogenase (ALDH) were studied. At the cathode, two in-house purified laccases from Trametes hirsuta (ThL) and recombinant Melanocarpus albomyces were studied as well as one industrial laccase (EcoL). The fabrication methods included ink formulation using different carbon supports, biocompatible binders and enzyme-mediator pairs. First printing trials were performed in the laboratory using multiple enzyme-mediator pairs mixed with a commercial carbon-based ink. After that, the manufacturing was scaled up using GOx and EcoL mixed with in-house prepared graphite-based inks. The printed EBFCs were mainly characterised by means of electrochemistry. In the laboratory, the best power output (Pmax = 3.5 µW cm-2) was achieved with an ALDH/ThL cell, which had an open circuit voltage (OCV) of 0.62 V and maximum energy output (E) of ca. 10 µWh cm-2. The best GOx/ThL cell had an OCV of 0.38 V, Pmax of 1.4 µW cm-2 and E of 5.5 µWh cm-2. The pilot scale manufactured GOx/EcoL cells performed 50-90% less, which could be attributed to differences in the ink compositions as well as to the degradation of enzyme-mediator electrodes due to heating (23 °C vs. 70 °C) and storage (one day vs. one week). The stability of the printed enzymes (GOx and EcoL) was very good, they lost a maximum of 40% of their activity, regardless of the drying or storage temperature. However, when mediators were added into the inks, elevated drying temperatures accelerated the degradation, and 70-80% of the enzymatic activity was lost in 28 days. Moreover, the anode was found to be the limiting factor, and for this reason different approaches to increase the anode performance were tested.Entsymaattinen biopolttokenno (EBPK) muuntaa biopolttoaineen kemiallisen energian sähköksi biosähkökemiallisten reaktioiden avulla. Entsyymien käyttö metallikatalyyttien sijaan tuo monia etuja mm. uusiutuvuuden ja myrkyttömyyden. Entsyymit ovat kuitenkin varsin herkkiä muutoksille lämpötilassa, pH:ssa ja kosteudessa. Tästä syystä entsyymit tyypillisesti immobilisoidaan elektrodeihin joko kemiallisen tai fysikaalisen adsorption avulla. Elektrodit useimmiten upotetaan nestekennoon, joka sisältää optimaalisen elektrolyytin. Näin ollen tavanomaisen EBPK:n kokoonpano ei ole käytännöllinen, mistä syystä kehitettiin uudenlainen EBPK-rakenne. Tässä työssä painettiin silkkipainotekniikalla entsymaattisia elektrodeja (4-12 cm2) paperipohjaisille alustoille luoden ohuita (n. 1 mm) ja taipuisia EBPK:ja. Työn tuloksena saatiin massatuotettava glukoosi/ilma bioparisto, joka voidaan säilyttää kuivana ja aktivoida tarpeen tullen puskuri-liuoksella. Bioparistojen teho on µW-luokkaa, mutta useita parannusmahdollisuuksia tehon suurentamiseksi on esitelty tässä työssä. Bioparisto voisi soveltua esim. matalatehoisten sensorien, RFID-tunnisteiden tai jopa iholle asetettavien kosmeettisten/lääkinnällisten lappujen virtalähteiksi. Anodientsyymeinä tutkittiin kaupallista glukoosioksidaasia (GOx) sekä VTT:llä tuotettua aldoosi-dehydrogenaasia (ALDH). Katodientsyymeinä tutkittiin kahta VTT:llä tuotettua lakkaasia, joista ensimmäisen alkuperä on Trametes hirsuta (ThL) ja toisen Melanocarpus albomyces. Näiden lisäksi tutkittiin teollista lakkaasia (EcoL). Menetelmät pitivät sisällään musteiden valmistusta erilaisten hiilien, bioyhteensopivien sidosaineiden ja entsyymi-mediaattori -parien avulla. Ensimmäiset painokokeet suoritettiin laboratoriossa käyttäen eri entsyymi-mediaattori -pareja sekoitettuna kaupalliseen hiilipohjaiseen musteeseen. Tämän jälkeen tuotanto laajennettiin käyttäen GOx ja EcoL entsyymejä yhdessä VTT:llä tuotettujen grafiittipohjaisten musteiden kanssa. Painetut EBPK:t karakterisoitiin pääsääntöisesti sähkökemiallisia tekniikoita käyttäen. Paras laboratoriossa saavutettu tehotiheys (Pmax = 3.5 µW cm-2) saatiin ALDH/ThL-kennolla, jonka avoimenpiirinjännite (OCV) oli 0.62 V ja enimmäisenergia (E) n. 10 µWh cm-2. Parhaan GOx/ThL-kennon OCV oli 0.38 V, Pmax = 1.4 µW cm-2 ja E = 5.5 µWh cm-2. Koe-erässä tuotettujen kennojen suorituskyky oli 50-90 % alhaisempi, koska käytetyt musteseokset olivat erilaiset sekä entsyymi-mediaattori -parien ikääntyminen kiihtyi kohotetun kuivatuslämpötilan (23 °C v. 70 °C) ja pidennetyn säilytyksen (yksi päivä v. yksi viikko) vuoksi. Painettujen entsyymien (GOx ja EcoL) stabiilius oli hyvä, sillä ne menettivät korkeintaan 40 % aktiivisuudestaan kuivatus- ja säilytyslämpötilasta riippumatta. Mediaattorien lisääminen musteisiin kiihdytti entsyymien ikääntymistä, ja 70-80 % aktiivisuudesta oli menetetty kuukauden säilytyksen aikana. Anodi todettiin olevan rajoittava tekijä, minkä vuoksi erilaisia tapoja testattiin anodin suorituskyvyn parantamiseksi

PEM-polttokennon kaasudiffuusiokerrosten karakterisointi

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) converts chemical energy of fuel directly into electricity and heat. Due to its good efficiency and low operating temperature, it is a potential power source for automotive and portable applications. One important component inside a PEMFC is a porous transport layer (PTL) that e.g. provides an even distribution of reactant gases to the active area of the cell, and connects the fuel cell electrically and thermally. When a fuel cell is assembled, it has to be pressed to ensure e.g. good gas tightness and electrical conductivity. This compresses the PTL, which changes its physical properties. In this mater's thesis the properties of PTL under various compression pressures were studied. The measurement methods included mechanical, electrical and thermal measurements. The thesis is done for the Tekes-funded MARAPOKE project, and the measurements in this work provide a baseline data for the PTL material candidates that will come as a result of the project.Polymeeripolttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuttaa polttoaineen kemiallisen energian hyvällä hyötysuhteella sähköksi ja lämmöksi. Matalan toimintalämpötilansa takia polymeeripolttokennoja on suunniteltu käytettäväksi esim. kannettavissa sovelluksissa ja autoissa. Yksi tärkeä polymeeripolttokennon komponentti on kaasudiffuusiokerros (KDK), joka mahdollistaa reaktanttien tasaisen jakautumisen kennon aktiiviselle alalle sekä toimii sähkön- ja lämmönjohtimena kennon sisällä. Kennoa kasattaessa tarvittava puristuspaine painaa KDK:n kasaan, millä on monia vaikutuksia KDK:n fysikaalisiin ominaisuuksiin. Tässä työssä tarkasteltiin kaasudiffuusiokerrosten fysikaalisia ominaisuuksia eri puristuspaineiden alaisuudessa. Kokeellisissa mittauksissa mitattiin sekä mekaanisia että sähkö- ja lämpöominaisuuksia. Työ on tehty Tekesin rahoittamaan MARAPOKE-projektiin, ja työn mittaustuloksia käytetään projektissa tuotettujen KDK-materiaalien vertailukohtana