基于多肽的氣體傳感器的研究綜述與發展前景*

沈云聰, 李麗麗, 汶 飛, 張然然, 王高峰

(杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

傳感器技術是目前世界各國都在大力發展的一種技術,其應用涵蓋了工業監測、控制等多個領域,如機械儀器、可穿戴設備等。并且隨著社會水平的不斷提高,人們對生產、生活等方面的安全意識也在日益提高,對環境質量的把控提出了更高的要求,需要加強對生活與生產環境中空氣質量情況的監控[1]。然而,目前現有的各類氣體傳感器都還存在著技術難題：如電化學傳感器受傳感器電化學特性和氣體交叉的影響較大；半導體氣體傳感器對氣體的選擇性較差；紅外吸收式氣體傳感器響應時間過長,對低濃度響應較差[2]。因此亟待研究并開發性能更優、實用性更強的氣體傳感器。

1 國內外多肽自組裝敏感材料的研究現狀

多肽自組裝納米管的研究可追溯到Reches M和Gazit E[3]發現二苯丙氨酸二肽(FF)可以自組裝成有序的長中空肽納米管(PNT)。FF自組裝材料是一種性能優越的有機半導體敏感材料,具有豐富的可修飾官能團,引起了國內外研究學者的廣泛關注。

2006年,以色列的Reches M課題組使用簡單的溶液法制備了芳香多肽納米管陣列,如圖1(b)～(d)所示,成功掌握了多肽納米管陣列的制備方法以及控制納米管水平排列的方式(圖1(a))[4]。之后,該團隊又利用物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)法制備了芳香多肽納米管陣列(圖2)[5,6],這種沉積方式將PNT自組裝過程的“自下而上”方法與常見的“自上而下”濺射及光刻工藝相結合,使得基于芳香族二肽納米管(aromatic dipeptide nano tube,ADNT)的器件和表面的制作規模得以擴大。

圖1 芳香多肽納米陣列的制作流程與形貌[4]

圖2 PVD技術制備多肽納米管陣列[5,6]

2018年,Gazit E團隊通過金屬配位、氫鍵和聚偶疊的方式改變金屬離子/二肽的類型和比例,成功地實現了由淀粉樣圓譜片向超螺旋或隨機螺旋的金屬離子調制結構轉變[7]。

肽類自組裝的研究屬于前沿領域,目前圍繞FF,Fmoc-FF,Nap-FF等肽類分子進行了廣泛而深入的研究,如界面調控、多組分共組裝等方面,取得了很大的進展[8],并促進了材料科學、傳感檢測、生物納米等技術的發展。

2 氣體傳感器結構研究現狀

目前，國內外廣泛使用的氣體傳感器類型有石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,QCM)、叉指電極以及有機場效應晶體管(organic field effect tube,OFET)等。

2.1 QCM

QCM是根據石英晶體的壓電效應原理制備的[9],石英晶體內部存在不受任何外力作用時呈六邊形的晶格,在向晶體的兩邊施加力時,會導致石英晶體電荷中心偏移,從而在相應的方向上產生電場。同理,若在晶體的兩極施加電場,會導致晶體產生形變,從而振動,但振幅十分微小,只有在頻率達到特定值時振幅才會明顯增大。QCM一般有多個組成部分,包括石英晶體傳感器、數據處理、信號檢測等[9]。若石英晶體電極部分沉積的物質發生了質量變化,可通過石英振蕩器將質量變化轉變成頻率變化的電信號,從而通過測量頻率變化確定沉積物質的質量變化[10]。

QCM能夠感知的質量變化能達到微克(μg)級,應用在化學、物理、生物、環境檢測等多個方面,近年來取得了一定的進展。如Fabrizio D等人應用QCM技術精確檢測衛星的廢棄材料和導彈、火箭等載荷釋放過程中產生的污染,能精確檢測物質逸出和表征軌道環境,從而達到監控大量毫米(mm)級和微米(μm)級太空垃圾的作用[11]。隨著科技的發展,將QCM儀器的簡便快捷、高靈敏度、實時監測等優勢,與其他技術結合,成為了微觀過程與作用機理研究以及微質量物質的檢測等方面十分有效的手段,獲得了廣泛的應用[12]。

2.2 叉指電極

電化學傳感器是通過與目標接觸后發生反應或變化,形成一種與目標對應的變化關系來進行檢測。一般的電化學傳感器由傳感電極、薄電解層和反電極三部分組成,薄電解層位于中間[13]。在傳感器進行監測工作時,可以在傳感器的電極上添加敏感材料,當材料與待測物發生反應并產生阻值變化,通過檢測吸附材料的阻值變化,達到檢測環境中有毒有害物質的目的[14]。

一般來講,叉指電極應用領域眾多,在實際應用過程中對其的要求也復雜多變,比如結構、材料選擇、系統集成情況、數據分析程度等都會存在不同的要求。叉指電極的結構多樣,如圖3,可以根據監測需求以及實際的環境情況,采用結構較為合適的叉指電極[15]。

圖3 多種不同結構的叉指電極示意[15]

2.3 OFET

OFET主要由源極(source)、漏極(drain)、柵極(gate)、襯底(substrate)、絕緣層(insulator)和有源層(active layer)構成[16]。主要有底柵底接觸、底柵頂接觸、頂柵底接觸和頂柵頂接觸(圖4(a)～(d))4種結構。底柵結構可以有效避免有源層材料遭到污染和破壞,因此氣體傳感器一般采用底柵結構。頂接觸結構可以有效避免敏感材料遭到破環,但該結構不易更換有源層材料,不適合大規模生產,而底接觸便于更換各種不同材料作為有源層,兩種結構各有優缺點。

圖4 OFET結構[16]與原理示意

OFET就相當于是一個電容器,以底柵頂接觸型P型半導體為例[17],若柵極和源極之間不加電壓,有源層中電子和空穴分布均勻,此時有源層和電極之間的電流非常小。若在柵極和源極之間施加一定電壓,根據電容器效應,有源層的表面就會感應出電荷,形成非常薄的一層空穴層(圖4(e))。當柵壓達到一定的電壓值后,有源層中的自由電子和空穴顯著增加,就會在有源層形成一個導電溝道,有源層和源漏電極之間就會有電流通過。可通過施加不同強度的柵壓,在有源層和絕緣層之間形成大小不一的導通溝道,當施加過大柵壓時,會導致電荷的耗盡,形成耗盡層。因此,采用不同的有機半導體層或者控制柵壓可以調節溝道中載流子密度從而來控制電流的大小。

目前,對于OFET器件的研究主要是對器件的結構、材料的選擇和創新以及敏感材料與電極界面之間這三個方面的優化。器件結構優化始于1995年,Dodabalapur A等人[18]第一次用α-6T和C60這兩種有機半導體材料,制備了雙極型OFET。隨后,Dodabalapur A等人又研究了OFET在互補集成電路中的應用,發現有機互補電路具有功耗低、抗噪聲性強和電路設計簡單等優點[19]。在有源層材料的選擇和創新方面,Kim Y H等人采用真空蒸發方法制備了聚對二甲苯薄膜作為水和化學物質的阻礙層,采用3—己基噻吩聚合物(P3HT)作為有源層成功制備了高性能的OFET,其開關電流比也達到104,場效應遷移率高達0.086 cm2/(V·s)[20]。關于電極工藝,嚴劍飛等人得到了有機薄膜晶體管(organic thin film transistor,OTFT)鈦/金電極刻蝕的最佳工藝參數,可采用濕法刻蝕工藝刻蝕關鍵尺寸為5 μm及以上的電極[21]。

近幾年,研究者們對OTFT的研究報道數量與日俱增,同時研究的關注點已經從提高場效應遷移率和開關電流比等性能指標,逐漸轉變成開發同時具備多種高性能的材料,如結合遷移率和穩定性等性能,以及探究對器件性能的影響因素[22]。

3 基于多肽的氣體傳感器

利用多肽自組裝納米陣列作為氣體傳感器的敏感材料檢測環境中的污染氣體是一個全新的概念,具有前瞻性。初步的研究表明：多肽自組裝納米陣列具有靈敏度高、形貌可調和修飾、檢測底物廣、特異性強、續航能力強等優勢,被認為具備可商業化的潛力[6,23]。

3.1 基于多肽的叉指電極結構傳感器

在多肽被廣泛關注后,Adler-Abramovich L等人[24]將多肽應用于叉指電極結構的氣體傳感器中,他們在工作電極表面沉積FFPNT或碳納米管(CNT)來檢測苯酚,實驗證明兩種納米管的存在均提高了傳感器的靈敏度,且FFPNT的檢測限度更低,此外,與CNT相比,FFPNT的溶解性更高、成本低、制備簡單,可進行大規模生產,這些特性促進了多肽氣體傳感設備的發展。研究表明,多肽增強的結構電極的電化學活性存在明顯提升,這為環境監測、生物傳感器等領域的發展提供了一種思路。

3.2 基于多肽的QCM氣體傳感器

目前,關于QCM氣體傳感器的研究較多,如Wang L Y等人構建了QCM傳感器對甲醛進行檢測,檢出限可達到50×10-9[25]。Andrea B等人在石英晶體電極表面通過PVD五苯膜,制備了對苯和二甲苯都檢測靈敏的氣體傳感器等[26]。而Pizzoni D等人嘗試將多肽應用到QCM氣體傳感器中,他們詳細對比、研究了虛擬篩選的數據和實際氣體傳感數據,并采用5種不同肽作為敏感材料沉積到QCM氣體傳感器上,對14種有機揮發物氣體(VOC)進行檢測[27],氣體檢測結果證實5種多肽均具有能夠區分14種揮發性化合物的特定選擇性模式,受體匹配性最高可達93 %,在制備高選擇性氣體傳感器方面具有良好的應用前景,也印證了多肽自組裝材料在QCM技術上存在應用價值。

3.3 基于多肽的OFET氣體傳感器[28]

目前,關于多肽的OFET氣體傳感器的研究相對偏少。絲素蛋白(SF)是第一種用于OFET的多肽類蛋白質,Capelli R等人將SF作為OFET的器件中的薄膜電介質,使得場效應遷移率得到提升,增強了OFET的性能[29]。若采用多肽材料作為敏感材料來制作OFET氣體傳感器,即多肽作為氣體傳感器的敏感層位于絕緣層上,敏感層與待測氣體分子直接接觸,可提升傳感器性能,如圖5所示。此外,在絕緣層和源、漏電極等結構制備完成后,有源層材料可針對不同的檢測物質采用不同的制備方法,如通過制備不同形貌結構的有源層等,這為多肽氣體傳感器的多樣性提供了可能。并且采用優化絕緣層的厚度以及改變溝道的寬長比的方式,可優化出性能較為優異的多肽OTFT氣體傳感器。

圖5 OFET中多肽材料示意

3.4 技術改進[6]

對多肽氣體傳感器的優化存在多個方向,如對器件本身的優化,Beardslee L A等人采用低溫下生長的CNT作為肽的結構支架,并讓CNT生長于傳感器頂部制作了諧振傳感器,該結構為肽吸附VOC提供較大的表面積,從而增加了傳感器的靈敏度[30]。Compagnone D等人采用納米金負載在多肽上制成復合材料,并將其作為敏感源實現了一種氣體傳感器,該復合材料的使用使得氣體傳感器的靈敏度得到大幅提高,不僅對水、乙烷、三甲基氨和乙醇等具有很高的靈敏度,還可以區分典型的食品香味劑[31]。

除了材料方面的優化,也可對氣體傳感器的陣列進行優化,考慮到多肽傳感器陣列性能的豐富性,可采用算法進行陣列優化。先建立一個比較密集的傳感器陣列,對各種混合的氣體進行模擬實驗,至形成一個稀疏的傳感器陣列[32],從而達到提升傳感器性能的目的。

3.5 多肽氣體傳感器的應用前景

目前,多肽氣體傳感器是一個前瞻性的研究,仍然處于實驗室階段,沒有廣泛應用到實際的工作環境中,但由于多肽氣體傳感器的敏感源材料為芳香多肽自組裝陣列,具備很多優勢,如其形貌可調易修飾、響應速度快、選擇性高、可逆性好、而且還具有微型化、陣列化等傳統傳感器不可比擬的優勢等。如安全穩定,可以工作在多樣的環境中,例如智能穿戴設備、機器人等。其優越的性能和可室溫工作等特性,在未來環境檢測和工業控制等眾多領域中都將有著廣大的應用場景。

4 結束語

目前整體來看,國內外氣體傳感器的發展迅速,研究深入,但采用多肽自組裝納米陣列作為氣體傳感器的敏感源的研究較少。本文基于目前的最新進展,從三種結構出發,系統闡述了基于多肽的氣體傳感器。由于多肽本身所具備的影響因素較多,如pH值、溫度、界面等,可調控不同參數構建納米纖維、納米管、薄膜等多種不同形貌的生物材料或陣列作為敏感源形成一種新型氣體傳感器,具有廣泛的應用場景,為下一代環境友好、高靈敏度的傳感器制備提供了全新的設計思路。并且可以通過傳感器陣列優化配置的方法進行算法優化,在信號輸出與檢測方面最大程度上保持信號的精確性,實現信號的穩定輸出。盡管多肽敏感材料顯示出種種優勢,但其目前僅局限于對VOC氣體的檢測,缺少針對大氣環境的污染氣體檢測的研究[33],并且在實際的應用過程中還存在著技術難題,比如傳感器在不同的環境中,尤其是不同的離子濃度或者濕度下,多肽材料存在一定程度的降解,這會導致傳感器性能的下降。但即便如此,基于多肽的氣體傳感器還是存在很大的優勢,在未來有很大的發展空間。