清华大学符汪洋&万春磊团队Adv. Funct. Mater.：氧化石墨烯/己胺超晶格场效应生化传感器

【引言】

石墨烯由单原子厚的碳层组成，呈蜂窝状晶格排列，其具有独特的电学性能和优异的化学稳定性，是构筑超灵敏场效应生化传感器的最佳候选材料之一。然而，低成本制造是石墨烯场效应晶体管（Gr-FET）进一步发展的障碍，无法满足当代大规模商业化的生化传感应用需求，包括环境监测、食品安全、医疗诊断和生命科学研究。另一方面，氧化石墨烯（GO）膜具有易制造/操作性、高柔韧性和批量生产的成本效益，同时以GO纳米片的形式保持了部分石墨烯良好的电学性能和化学稳定性，使得GO膜在可穿戴电子、能源设备、化学过滤器、电化学传感器等领域具有良好的应用前景。然而，受GO纳米片大量聚集的严重制约，当厚度从几十纳米增加到微米时，由于电屏蔽效应，其场效应感应响应会急剧下降。

【成果简介】

近日，在清华大学符汪洋副教授和万春磊副教授等人带领下，构建了己胺分子插层的氧化石墨烯（GO）杂化超晶格。所构建的柔性GO/己胺超晶格传感器在电解质门控下表现出“V”形双极性场效应转移特性，对缓冲溶液的pH值和DNA分子具有优异的传感能力。相比之下，通过退火杂化超晶格制备的GO膜既没有表现出明显的场效应，对各种分析物也没有感应响应。这突出了己胺分子在调控GO/己胺超晶格电学特性中所起的重要作用，拓宽了GO的层间距从而使生物化学分子能在其中传输。同时，GO/己胺杂化超晶格在机械应力下能够保持稳定的电学和传感性能。该成果以题为“Graphene Oxide/Hexylamine Superlattice Field‐Effect Biochemical Sensors”发表在了Adv. Funct. Mater.上，突出了石墨烯超晶格材料在生化传感中的独特潜力。

【图文导读】

图1 GO/己胺超晶格FET的制备与表征

a）GO/己胺超晶格的原理模型和自制流控通道的人造FET。

b）原始GO（黑线）、GO/己胺超晶格纸（红线）和退火后的GO/己胺样品（绿线）的XRD图谱。

c）GO/己胺超晶格的SEM和TEM图像（右上方），显示了有序的堆叠超晶格。

d）GO/己胺超晶格FET和GO纸FET在pH = 5.4缓冲溶液中的转移曲线。显然，只有GO/己胺超晶格FET（实点）表现出“V”形双极性场效应特性。

图2 GO/己胺超晶格FET的生化传感

a）在GO/己胺纸基FET中，V_g = 1 V时的相对电流变化与pH值的关系。上部显示了GO片中质子化的羧基和羟基（突出显示为蓝色和黄色）所造成的散射效应。

b）当V_g = 0.96 V时相对电流随ss-DNA浓度的变化。 上半部分说明了由ss-DNA吸附引起的散射效应。有效载流子迁移率（单位：cm² V^–1 s^–1）标注在（a）和（b）中的条形上方。

图3 柔性GO/己胺超晶格FET

a）柔性测试中的FET的照片（上）和柔性测试中的器件的照片（下）。

b）不同拉伸应变状态的传递曲线。曲线大致相似，表明对传感器的传感性能影响不大，且去除较强应力后，超晶格纸具有保持场强效应的能力。

c）不同拉伸应变状态下的跨导与V_g。跨导在机械应力下保持稳定，表明具有良好的电学和传感性能。插图显示狄拉克电压与拉伸应变的关系。

【小结】

综上所述，清华大学符汪洋副教授和万春磊副教授团队制备了由GO和己胺分子层交替组成的宏观GO/己胺膜。这种超晶格结构能够表现出明显的场效应，这可以归因于己胺支撑的GO片的宽间距。对该宏观超晶格的初步生化传感测量结果表明，在1×10^-9 M的浓度下，DNA分子具有明显的电响应。此外，GO/己胺超晶格在机械应力下仍能保持稳定的场效应和传感性能，结合GO/己胺杂化超晶格材料的成本效益，可望在包括环境监测、食品安全、医疗诊断等生化检测中获得应用。

文献链接：Graphene Oxide/Hexylamine Superlattice Field‐Effect Biochemical Sensors（Adv. Funct. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adfm.202003680）

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