复旦大学二维共轭材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
Two Dimensional Conjugated Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University

《Adv Electron Mater》 抗污染晶体管传感器

污染环境中的高灵敏检测是传感器件实用化必须解决的关键问题。我们将共价有机框架(CovalentOrganic Frameworks, COFs)材料首次应用于晶体管传感器的传感界面,同时实现了高灵敏传感和抗污染性能。


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图1. (a) COFs/石墨烯基场效应晶体管传感器抗污染检测Hg2+的机理图。(b) 用不同厚度COFs薄膜制备的传感器检测Hg2+的性能对比。(c) 传感器的选择性测试。(d)传感器的抗污染性测试。


我们利用COFs与石墨烯之间的ππ相互作用,可在石墨烯表面上生长COFs薄膜,随后直接用于COFs/石墨烯基场效应晶体管传感器的制备。通过对COFs材料结构和功能的设计,在其孔道内修饰上了硫醚键。由于硫原子和Hg2+有较强的配位作用,COFs材料就具有了特异性吸附识别Hg2+的功能。因此,COFs/石墨烯的复合薄膜就同时具有了识别Hg2+和导电的功能,以此为基础的FET传感器表现出了优异的传感性能(1a)Hg2+的最低检测限达到了10-10 M,响应时间在50 ms内,并且具有良好的选择性(1bc)更重要的是,COFs材料的多孔性对传感沟道还起到了保护作用。一些大分子或聚合物的污染物可以有效地被阻隔在COFs材料的孔道外,屏蔽掉了污染物的信号干扰(1a)。与此同时,传感器对Hg2+的检测性能并不受影响。使用约30 ppm的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):(苯乙烯磺酸盐)溶液作为污染源对传感器进行抗污染测试,COFs/石墨烯基FET传感器在不受污染物影响的前提下,仍表现出了优异的Hg2+传感性能(2d)。这对于FET传感器的实际应用意义重大。


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图2. (a) COFs/石墨烯基场效应晶体管传感器抗污染检测神经细胞电生理活动的机理图。(b) 传感沟道上神经细胞的光学显微镜图。(c)神经细胞电生理活动的检测。


此类型传感器的应用范围广泛,在生物检测领域也有一定的实用性,可用于神经细胞电生理活动的实时监测。将幼鼠的神经细胞直接培养在COFs/石墨烯薄膜表面,由于神经细胞间的信息传递会产生动作电位,这样的电信号就会影响到导电沟道的电流,从而实现对神经细胞电生理活动的传感(2ab)。生物检测环境复杂,COFs薄膜作为传感界面同样起到了优异的抗污染作用。在污染源的干扰下,仍可以稳定的检测到信号(2c)


以上相关成果于2020年4月发表在Advanced Electronic Materials上。复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室为第一单位,高分子科学系博士生杨磊为第一作者,通讯作者为魏大程研究员。上述研究得到了国家自然科学基金的资助。


原文详见:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201901169







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