含功能基团的有机共轭分子在场效应化学/生物传感器中的研究

In our project, we want to concentrate on the design and synthesis of new functional organic conjugated molecules, and build up highly selective, sensitive and fast responsive organic field-effect chem/bio sensors by optimizing the corresponding device structure according to the analyte and environment, including 1) in situ gas sensors, such as carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen sulfide, phosgene, ozone; 2) label-free and in situ biosensors, such as acetylcholine enzyme, Escherichia coli and αvβ3 integrin. The design rationale is explained as follows: the functional groups of organic semiconductors can interact with the analytes by hydrogen bonding, chemical reaction or coordination, etc, which would change the conjugated structure, molecular arrangement or the device interfaces. Thus it may affect the carrier transporting properties of semiconductor, which will result in signal changes of FET and achieve detection.

本申请拟根据检测物和检测环境，设计并合成含功能基团的有机共轭分子，并通过优化相应器件结构，构筑具有选择性、高灵敏度、迅速响应的有机场效应化学/生物传感器，包括1）原位的气体传感器，如一氧化碳、一氧化氮、硫化氢、光气、臭氧；2）原位无标记的水溶液体系下的生物传感器，如乙酰胆碱酶、大肠杆菌、αvβ3整合素。其检测原理是利用功能有机分子与检测物之间的相互作用（氢键等弱作用、化学反应、配位作用等），改变有机共轭分子的结构、分子排列方式以及界面环境等，从而影响半导体的载流子传输能力，导致场效应输出信号发生改变，实现检测。

有机场效应晶体管传感器是基于电子信号输出的一类新型传感器件，它具有多信号输出（迁移率、电流、开关比、阈值电压等）、可小型化、低成本等特点。然而，目前关于有机场效应晶体管传感器的研究仍较少，还存在许多问题，比如：1）器件结构复杂；2）传感检测机理多基于物理掺杂，影响其选择性。因此，基于本项目研究目标，为提升传感器的选择性和灵敏度，我们设计合成了一系列有机共轭小分子及聚合物，并在其分子骨架或柔性侧链接枝功能基团，在实现共轭分子与目标检测物的特异性相互作用的同时，通过功能基团调控分子的凝聚态结构，提高其半导体性能，以实现灵敏检测。然后，我们通过对场效应晶体管器件的改进，成功构筑了一系列具有选择性、高灵敏度、快速响应的有机场效应传感器，包括：1）气体传感器，包括一氧化碳、硫化氢、氨气、乙醇等；2）光传感器，包括可见光及近红外光（2000 nm）；3）液相传感器，包括无机酸、刀豆蛋白，并探索了三种液相传感器结构，包括底栅底电极结构场效应晶体管，单分子结，电化学晶体管，并初步完成了对电化学晶体管传感器平台的搭建。在本项目支持下，我们共发表文章16篇，包括J. Am. Chem. Sci., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci.等，其中2篇文章被选为封面文章，授权专利1篇。