二维黑磷场效应管传感器在抗生素污染检测中的基础研究

Antibiotic contamination, a new type of water contamination, has drawn increasing attention in recent years. To better monitor and control antibiotic contamination, sensitive, rapid and reliable detection method is needed. As a novel detection method, two-dimensional (2D) nanomaterial-based field-effect (FET) transistor sensors bring a lot of potentials in rapid and online detection of water contaminants. This project aims to carry out fundamental research on the detection of antibiotic contamination using 2D black phosphorus as the sensing channel material in FET sensors. The project will explore the sensing probes for typical antibiotic contamination (amoxicillin, doxycycline, erythromycin) in the river basins of China and their labeling methods on 2D black phosphorus. Through theoretical modeling calculation and sensing test, the working principle of the sensor will be investigated by studying the change in black phosphorus conductivity during the antibiotic binding. The impact from other interfering materials in water, e.g., suspended particles, organics and ions, on the sensing signal will be studied. Based on the sensing mechanism, possible directions to enhance the sensor selectivity and stability will be explored by optimizing the sensor structure. The results from this project will generate new knowledge on 2D black phosphorus FET sensor in antibiotic contamination detection and provide data and guidelines for the sensor performance enhancement.

近年来，抗生素污染作为一种新型的水体污染类型而逐渐受到关注，为了更好的监测和控制抗生素污染，建立一种灵敏、快速、可靠的检测方法十分重要。基于二维纳米材料的场效应管传感器作为一种新型的检测方法，在快速、在线污染物检测中有很大潜力。本项目拟针对二维黑磷这一新型的二维半导体材料开展抗生素检测的基础研究。项目将研究国内流域水体中代表性抗生素（阿莫西林、强力霉素、红霉素）的特异性检测基团和其在二维黑磷表面的联接方法。结合理论计算和实验测试，研究二维黑磷在吸附抗生素后电阻的变化方式，掌握传感器的工作机理。针对选择性和稳定性这两个传感器研究的重点和难点，通过分析水体干扰物（悬浮颗粒、有机分子、离子）对检测信号的影响，结合检测机理，通过传感器的结构优化，研究提高传感器检测选择性和稳定性的方法。项目将提供二维黑磷场效应管传感器在抗生素检测中的新知识，为提高传感器性能提供基础数据和理论指导。

近年来，中国的抗生素污染成为社会关注的一个焦点，水土环境中的抗生素残留对生态环境和居民健康造成了很多负面影响。为了更好地了解抗生素对自然环境和人类健康的影响，并对抗生素水体污染进行监测和控制，建立一种灵敏、快速、可靠的定性定量检测方法十分必要。基于二维纳米材料的场效应管传感器作为一种新型的传感分析方法，在原位快速和在线污染物监测中有很大潜力。本项目开展了基于二维黑磷等新型二维材料的场效应管抗生素检测方法研究，主要研究内容包括：（1）构建了基于二维黑磷导电通道的场效应管传感器。以分子印迹聚合物为检测探针，实现了抗生素的高灵敏度快速检测；通过银离子钝化黑磷孤对电子和三聚氰胺-三聚氰酸分子层物理屏蔽的方法提高二维黑磷的化学稳定性；结合理论计算和实验测试，研究了二维黑磷场效应管传感器对抗生素的检测原理。（2）构建了基于石墨烯和层状二硫化钼的场效应管抗生素传感器。以核酸适配体为检测探针实现了对妥布霉素和卡那霉素的超低浓度检测；该传感器的检测时间为秒量级，且具有极高的检测特异性；通过石墨烯的表面化学改性以提高传感信号的稳定性和可靠性；提出基于核酸适配体构型变化的传感检测新机理；通过调控适配体的荷电结构变化，克服了常规场效应管传感器在水体介质检测中受德拜屏蔽效应的限制；研究微流控传感芯片的集成方法，实现了流动水体中抗生素的在线检测。本项目的研究推进了基于场效应管的抗生素分析方法的发展，对突破快速、原位、高灵敏和高特异性痕量环境污染物检测技术的瓶颈具有重要的科学意义。本项目的研究结果对场效应管传感器在环境分析领域的研究和实际应用具有指导作用。