清華大學符汪洋&萬春磊團隊Adv. Funct. Mater.：氧化石墨烯/己胺超晶格場效應生化傳感器

【引言】

石墨烯由單原子厚的碳層組成，呈蜂窩狀晶格排列，其具有獨特的電學性能和優異的化學穩定性，是構筑超靈敏場效應生化傳感器的最佳候選材料之一。然而，低成本制造是石墨烯場效應晶體管（Gr-FET）進一步發展的障礙，無法滿足當代大規模商業化的生化傳感應用需求，包括環境監測、食品安全、醫療診斷和生命科學研究。另一方面，氧化石墨烯（GO）膜具有易制造/操作性、高柔韌性和批量生產的成本效益，同時以GO納米片的形式保持了部分石墨烯良好的電學性能和化學穩定性，使得GO膜在可穿戴電子、能源設備、化學過濾器、電化學傳感器等領域具有良好的應用前景。然而，受GO納米片大量聚集的嚴重制約，當厚度從幾十納米增加到微米時，由于電屏蔽效應，其場效應感應響應會急劇下降。

【成果簡介】

近日，在清華大學符汪洋副教授和萬春磊副教授等人帶領下，構建了己胺分子插層的氧化石墨烯（GO）雜化超晶格。所構建的柔性GO/己胺超晶格傳感器在電解質門控下表現出“V”形雙極性場效應轉移特性，對緩沖溶液的pH值和DNA分子具有優異的傳感能力。相比之下，通過退火雜化超晶格制備的GO膜既沒有表現出明顯的場效應，對各種分析物也沒有感應響應。這突出了己胺分子在調控GO/己胺超晶格電學特性中所起的重要作用，拓寬了GO的層間距從而使生物化學分子能在其中傳輸。同時，GO/己胺雜化超晶格在機械應力下能夠保持穩定的電學和傳感性能。該成果以題為“Graphene Oxide/Hexylamine Superlattice Field‐Effect Biochemical Sensors”發表在了Adv. Funct. Mater.上，突出了石墨烯超晶格材料在生化傳感中的獨特潛力。

【圖文導讀】

圖1?GO/己胺超晶格FET的制備與表征

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（黑線）、GO/己胺超晶格紙（紅線）和退火后的GO/己胺樣品（綠線）的XRD圖譜。

c）GO/己胺超晶格的SEM和TEM圖像（右上方），顯示了有序的堆疊超晶格。

d）GO/己胺超晶格FET和GO紙FET在pH = 5.4緩沖溶液中的轉移曲線。顯然，只有GO/己胺超晶格FET（實點）表現出“V”形雙極性場效應特性。

圖2?GO/己胺超晶格FET的生化傳感

a）在GO/己胺紙基FET中，V_g?= 1 V時的相對電流變化與pH值的關系。上部顯示了GO片中質子化的羧基和羥基（突出顯示為藍色和黃色）所造成的散射效應。

b）當V_g?= 0.96 V時相對電流隨ss-DNA濃度的變化。 上半部分說明了由ss-DNA吸附引起的散射效應。有效載流子遷移率（單位：cm²?V^–1?s^–1）標注在（a）和（b）中的條形上方。

圖3?柔性GO/己胺超晶格FET

a）柔性測試中的FET的照片（上）和柔性測試中的器件的照片（下）。

b）不同拉伸應變狀態的傳遞曲線。曲線大致相似，表明對傳感器的傳感性能影響不大，且去除較強應力后，超晶格紙具有保持場強效應的能力。

c）不同拉伸應變狀態下的跨導與V_g。跨導在機械應力下保持穩定，表明具有良好的電學和傳感性能。插圖顯示狄拉克電壓與拉伸應變的關系。

【小結】

綜上所述，清華大學符汪洋副教授和萬春磊副教授團隊制備了由GO和己胺分子層交替組成的宏觀GO/己胺膜。這種超晶格結構能夠表現出明顯的場效應，這可以歸因于己胺支撐的GO片的寬間距。對該宏觀超晶格的初步生化傳感測量結果表明，在1×10^-9?M的濃度下，DNA分子具有明顯的電響應。此外，GO/己胺超晶格在機械應力下仍能保持穩定的場效應和傳感性能，結合GO/己胺雜化超晶格材料的成本效益，可望在包括環境監測、食品安全、醫療診斷等生化檢測中獲得應用。

文獻鏈接：Graphene Oxide/Hexylamine Superlattice Field‐Effect Biochemical Sensors（Adv. Funct. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adfm.202003680）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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