Advanced Functional Materials:利用表面工程调节碳布电极以实现对OECT传感器的选择性控制

随着可穿戴电子产品的迅速发展和人们对各种生理指标原位检测重视程度的不断提高,柔性生物传感器近年来得到了广泛的关注,已成为生物传感检测领域研究的热点。在常规生理检测中,人体体液中的各种小分子待测物如抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)和尿酸(UA)等往往浓度极低(10-6 – 10-9M)而且在样品中共存,从而在对于柔性生物传感器的灵敏度和选择性提出了极高的要求。

有机电化学晶体管(OECT)传感器具有典型的晶体管结构,能够将被检测物在栅极上发生电化学反应产生的信号通过沟道电流放大,因此具有高灵敏度和低检测限等优点。此外,OECT具有良好的生物相容性和低工作电压,可以在柔性基底上加工,因而在柔性生物传感器方面具有广阔的应用前景。

需要指出的是,OECT的放大效果不仅仅针对待测物,干扰物产生的信号也会被相应放大,因此提高OECT传感器的选择性成为其在生物检测领域应用的关键之一。在OECT检测过程中,待测物的电化学反应在其栅极表面进行,在传统OECT中,栅极主要有Pt,Au的贵金属构成,这些电极不但成本高,选择性不佳,而且稳定性较差,容易因为S、Cl、P等原子的毒化而失活。为了提高贵金属栅极的选择性,以往的研究工作主要通过其表面涂敷如壳聚糖或全氟磺酸Nafion等高分子来进行改性,然而这些高分子涂层会影响栅极表面的导电性,导致OECT灵敏度的降低。针对这一问题,上海交通大学电子系刘瑞丽课题组近年来一直致力于开发新型碳基栅极以用于柔性传感器的制备。碳材料具有不亚于金属电极的导电性,来源丰富、制作加工成本低、且具有高的化学稳定和良好机械强度,是制备柔性电极的优良候选材料。更为重要的是,碳材料的表面具有良好的可加工性,可以通过改变其表面纳米结构或在碳原子骨架中掺入不同杂原子来实现其电催化活性的调控。 在本工作中,该课题组提出了不同以往的碳基栅极表面工程(Surface engineering)加工改性策略,通过在氧化、惰性和还原等不同气氛下碳化聚苯胺包覆的碳布来实现对所得到的柔性碳布电极(NOCC)表面的氮/氧原子含量和组成的有效调节。以NOCC作为栅极的有机电化学晶体管(OECT)传感器在对体液中常见的生物小分子抗坏血酸(AA)和多巴胺(DA)的检测中表现出截然不同的灵敏度和选择性。研究结果表明在还原性气氛中焙烧获得NOCC电极表面具有更高的N含量和更低的O含量,以其为栅极的OECT传感器对AA具有更高的灵敏度;而在氧化性气氛中制备的NOCC电极表面含有更多的O原子,因此可以用于加工对DA的检测具有更好选择性的OECT传感器。该工作通过实验结果和理论模型共同验证了用杂原子掺杂的碳材料来制备具有高灵敏度和高选择性的柔性OECT器件的可行性,并为制作高性能柔性生物chuang提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201905361)上。