Organic Field-Effect Transistors for Application in Radiation Biophysics

  • The average public exposure to ionising radiation in Germany is about 4.1mSv per year. About half of it, 2mSv, is generated by natural background radiation, the other part is man-made. Medical applications are making the major contribution to this artificial generated radiation. Here, the local radiation doses range from about 1mSv in the dental field up to 30mSv for a cranial computer tomography. Up to now, the effects of low doses of ionising radiation smaller than 100mSv on the organism or single cells are unknown. Thus, it is of common interest to determine the particular biological effect of radiation exposure in this regime for risk prognosis. The existing concept of a linear dose-effect relation, which is valid for medium to high doses, does not hold for the low dose regime. With so far used retrospective analysis no distinct results could be gained for the dose-effect relation since especially there, effects like adaptive response, cell abnormality, bystander effects andThe average public exposure to ionising radiation in Germany is about 4.1mSv per year. About half of it, 2mSv, is generated by natural background radiation, the other part is man-made. Medical applications are making the major contribution to this artificial generated radiation. Here, the local radiation doses range from about 1mSv in the dental field up to 30mSv for a cranial computer tomography. Up to now, the effects of low doses of ionising radiation smaller than 100mSv on the organism or single cells are unknown. Thus, it is of common interest to determine the particular biological effect of radiation exposure in this regime for risk prognosis. The existing concept of a linear dose-effect relation, which is valid for medium to high doses, does not hold for the low dose regime. With so far used retrospective analysis no distinct results could be gained for the dose-effect relation since especially there, effects like adaptive response, cell abnormality, bystander effects and genomic instability influence the dose-effect relation. As most of the effects occur on the cellular level a sensor, which is capable for timeresolved measurements, based on the organic polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT), was developed. It was shown that the sensors meet the special demands for the application in radiation biophysics, like biocompatibility, stable performance in tissue culture medium, stability under ionising irradiation as well as sensitivity to pH and changes in the concentrations of ions. In this work, organic materials were chosen for device fabrication due to their known advantages over inorganic materials. The sensors were extensively characterised in terms of the above-mentioned demands. Furthermore, the sensor performance was evaluated with respect to the polymeric thin-film morphology. The biocompatibility of the used organic materials could be proved in this work. It was found that cells grow very well on the chemically or physically functionalised organic surfaces and that the transistor material itself does not influence the living cells in any way. With the usage of different polymer and solvent compositions for device fabrication it was possible to create tuneable sensors concerning stability and sensitivity. The compositions of P3HT dissolved in dichlorobenzene (DCB) and the blend of P3HT and phenyl-C61-butric acid methyl ester (PCBM) with ratio 3:1 dissolved in DCB could be operated for at least 6hrs in tissue culture medium. The composition P3HT in chloroform (CHCl3) in contrast was only stable under very restricted conditions. During irradiation all device configurations showed repeatable behaviour; no damage by ionising radiation in the range up to 2Gy was observed. Depending on the transistor configuration the sensors showed high sensitivity to pH and ion concentration changes but also aging effects. All transistors worked properly in the pH range from pH 4 to pH 10. Though, the blend made from P3HT:PCBM exhibited non-reproducible behaviour, probably caused by aging effects. Devices made from P3HT in CHCl3 and P3HT in DCB showed sensitivity to all tested ions in a concentration range from 10-3M to 10-5M. With the sensors made from P3HT in DCB changes in the calcium concentration in the range of cellular communication processes, which means down to 2.5•10-7M, could be detected. The device made of 1wt% P3HT in DCB suits best for the desired application, since it fulfils all needed requirements. Furthermore, based on the presented results, a sensing model was proposed. It is assumed that diffusion of the ions into to polymer film or adsorption on to the surface creates the measured signal depending on the ion in the solution. As a further step towards a biosensor, an optical approach for the detection of calcium fluxes inside the cell was developed. An increase in the fluorescence of non-irradiated cells was visible after the addition of medium of irradiated cells. The combination of optical and electrical measurements might help to decode the measured cell signals during an irradiation experiment. In a last step, the possibility to run the devices with cells adherently grown on the sensor surface was proved and the effect of the cells on the sensors was determined.show moreshow less
  • Die durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung in Deutschland durch ionisierende Strahlung liegt bei rund 4.1mSv pro Jahr. Ungefähr die Hälfte, 2mSv, ist bedingt durch natürliche Hintergrundstrahlung, der restliche Anteil stammt von künstlichen Quellen. Der Hauptanteil der künstlichen Strahlenbelastung ist bedingt durch medizinische Anwendungen. Die lokale Strahlenbelastung reicht hier von ungefähr 1mSv im zahnmedizinischen Bereich bis hin zu Dosen von 30mSv bei einer Schädel-Computertomographie. Bis jetzt sind die Effekte geringer Dosen ionisierender Strahlung, kleiner 100mSv, auf den Organismus unbekannt. Aus diesem Grund ist es von allgemeinem Interesse, vor allem die biologischen Effekte durch geringe Dosen in diesem Dosisbereich zu bestimmen, um Risikovorhersagen treffen zu können. Das existierende Konzept eines linearen Dosis-Wirkungs-Verlaufs, welcher für mittlere bis hohe Dosen gültig ist, trifft für den geringen Dosisbereich nicht zu. Mit bisher verwendetenDie durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung in Deutschland durch ionisierende Strahlung liegt bei rund 4.1mSv pro Jahr. Ungefähr die Hälfte, 2mSv, ist bedingt durch natürliche Hintergrundstrahlung, der restliche Anteil stammt von künstlichen Quellen. Der Hauptanteil der künstlichen Strahlenbelastung ist bedingt durch medizinische Anwendungen. Die lokale Strahlenbelastung reicht hier von ungefähr 1mSv im zahnmedizinischen Bereich bis hin zu Dosen von 30mSv bei einer Schädel-Computertomographie. Bis jetzt sind die Effekte geringer Dosen ionisierender Strahlung, kleiner 100mSv, auf den Organismus unbekannt. Aus diesem Grund ist es von allgemeinem Interesse, vor allem die biologischen Effekte durch geringe Dosen in diesem Dosisbereich zu bestimmen, um Risikovorhersagen treffen zu können. Das existierende Konzept eines linearen Dosis-Wirkungs-Verlaufs, welcher für mittlere bis hohe Dosen gültig ist, trifft für den geringen Dosisbereich nicht zu. Mit bisher verwendeten retrospektiven Analysen konnten keine eindeutigen Ergebnisse für den Dosis-Wirkungs-Verlauf erzielt werden, denn gerade in diesem Bereich beeinflussen Effekte wie die adaptive Zellantwort, Zellanomalien, "Bystander Effekte" und genomische Instabilität den Dosis-Wirkungs-Verlauf. Da die meisten Effekte auf der zellulären Ebene auftreten, wurde ein Sensor für zeitaufgelöste Messungen, basierend auf dem organischen Polymer poly(3-Hexylthiophen) (P3HT), entwickelt. Es wurde gezeigt, dass die Sensoren den speziellen Anforderungen für den Einsatz im Bereich der Strahlenbiophysik, wie Biokompatibilität, Stabilität im Zellkulturmedium und unter ionisierender Strahlung, sowie pH- und Ionen-Sensitivität genügen. In dieser Arbeit wurden organische Materialen wegen ihrer verschiedenen Vorteile gegenüber anorganischen Materialen zur Herstellung der Bauteile verwendet. Die Sensoren wurden hinsichtlich der oben genannten Anforderungen ausgiebig charakterisiert. Des Weiteren wurde das Sensor-Verhalten bezüglich der Dünnflim-Morphologie der Polymerschicht untersucht. In dieser Arbeit konnte die Biokompatibilität der verwendeten organischen Materialien bewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass die Zellen sehr gut auf den chemisch oder physikalisch funktionalisierten organischen Oberflächen anwachsen und dass das Transistormaterial selbst die lebenden Zellen in keiner Weise beeinflusst. Durch die Verwendung verschiedener Polymer- und Lösungsmittel-Kombinationen zur Transistorherstellung war es möglich, die Sensoren in Bezug auf Stabilität und Sensitivität anzupassen. Die Kombination aus P3HT gelöst in Dichlorbenzol (DCB) sowie ein Gemisch aus P3HT und Phenyl-C61-Butylsäure Methylester (PCBM) im Verhältnis 3:1 gelöst in DCB konnte mindestens 6 Stunden im Zellkulturmedium betrieben werden, wohingegen die Kombination P3HT in Chloroform (CHCl3) nur unter sehr bestimmten Bedingungen stabil war. Während einer Bestrahlung mit bis zu 2Gray zeigten alle Kombinationen reproduzierbares Verhalten und wurden nicht durch die ionisierende Strahlung zerstört. In Abhängigkeit des Transistoraufbaus zeigten die Sensoren hohe pH- und Ionen-Sensitivitäten, aber auch Alterungseffekte. Alle Transistoren konnten in einem pH-Bereich von pH 4 bis pH 10 betrieben werden. Die Mischung aus P3HT:PCBM zeigte kein reproduzierbares Verhalten, wahrscheinlich bedingt durch Alterung. Sensoren, welche aus P3HT in CHCl3 oder P3HT in DCB hergestellt wurden, wiesen eine gute Sensitivität auf alle getesteten Ionen, in einem Bereich von 10-3M bis 10-5M, auf. Mit den Sensoren basierend auf P3HT in DCB konnten Kalzium-Konzentrationsänderungen im Bereich von zellulären Kommunikationsprozessen, also bis zu 2.5•10-7M, detektiert werden. Der Aufbau basierend auf 1% P3HT in DCB eignet sich am besten für die gewünschte Anwendung, da er alle benötigten Anforderungen erfüllt. Des Weiteren wurde anhand der präsentierten Ergebnisse ein Messprinzip vorgeschlagen. Es wird angenommen, dass das gemessene Signal durch die Ionen auf zwei Arten erzeugt wird: Diffusion in das Polymer oder Anlagerung auf dessen Oberfläche, abhängig vom jeweiligen Ion in der Lösung. Ein weiterer Schritt in Richtung eines Biosensors wurde durch die Entwicklung einer in situ Vorgehensweise zur optischen Detektion des Kalzium-Ionenstroms innerhalb der Zelle gemacht. Eine Zunahme der Fluoreszenz von unbestrahlten Zellen konnte nach Zugabe von Medium bestrahlter Zellen beobachtet werden. Die Kombination optischer und der elektrischer Messungen könnte dazu beitragen, während eines Bestrahlungsexperiments gemessene Signale zu entschlüsseln. In einem letzten Schritt wurde gezeigt, dass es möglich ist, die Sensoren mit den angewachsenen Zellen zu betreiben. Der dabei auftretende Effekt der Zellen auf den Sensor wurde bestimmt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anna-Lena Idzko
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus4-16141
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/1614
Title Additional (German):Organische Feld-Effekt-Transistoren für Anwendungen in der Strahlenbiophysik
Advisor:Stefan Thalhammer
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Date of final exam:2012/01/24
Release Date:2012/05/31
Tag:biosensors; ionising radiation; organic field-effect transistors; biocompatibility
GND-Keyword:Organischer Feldeffekttransistor; Biokompatibilität; Ionisierende Strahlung; Biophysik
Institutes:Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät / Institut für Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):Deutsches Urheberrecht