基于MXene@MnIn2S4的有机光电化学晶体管及其在冈田酸检测中的应用

引言

有机光电子技术已引起广泛跨学科研究兴趣,但在海洋环境检测方面仍存在较大局限。有机光电化学晶体管(OPECT)作为一种强大的综合监测和预警海洋状况的工具,其性能可通过纳米酶介导的催化沉淀信号放大策略进一步增强。本文首次将OPECT技术与纳米酶介导的催化沉淀相结合,建立了一种超高灵敏的冈田酸(OA)检测平台。

具体地,作者通过水热法合成了具有肖特基结构的MXene@MnIn₂S₄(MXMnIS)杂化材料,能有效调节OPECT器件的电流增益。将其与夹心免疫层析相结合,Ru-C₃N₄纳米酶具有过氧化物模拟活性,可催化4-氯-1-萘酚(4-CN)的氧化生成不溶性沉淀4-氯二氢化苯醌(4-CD),从而降低光电流,调控晶体管响应。重要的是,所提出的OPECT生物传感器表现出优异的灵敏度和低检测限(32.5 pM),完全满足在Prorocentrum lima不同生长阶段的培养基中定量检测细胞内外OA的基本要求。这种基于纳米酶介导的淬灭效应的OPECT平台对有效监测海洋生态环境和食品安全至关重要。

结果与讨论

1. 材料表征

扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,MXene表面呈现平滑多层结构,而MXMnIS则由MXene上生长的花状MnIn₂S₄纳米片组成,形成良好的异质结构。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)进一步证实了MXMnIS的成功制备,Mn、In和S元素均匀分布在MXene基底上。光电化学测试显示,与单独的MXene和MnIn₂S₄相比,MXMnIS表现出更强的光响应电流,这归因于MXene优异的导电性有助于改善MnIn₂S₄的光电活性。此外,TEM表征显示Ru纳米晶粒均匀分散在C₃N₄纳米片上,形成Ru-C₃N₄纳米酶。酶活性测试结果证实Ru-C₃N₄具有出色的过氧化物模拟活性,且与OA特异性结合的Ru-C₃N₄@Apt表现出更强的催化氧化4-CN的能力。

2. OPECT器件性能

为验证所构建OPECT系统的可行性,首先研究了PEDOT:PSS基质的电输运特性。在正偏压栅极电压(V_G)作用下,阳离子注入PEDOT:PSS导致其掺杂状态变化,从而调节漏极电流(IDS)。然而,长时间使用V_G不仅会对脆弱的生物系统造成伤害,还会导致功耗升高。因此,消除工具性V_G显得特别诱人。

对MXMnIS栅极器件在光照和黑暗条件下的传输特性进行对比测试。结果表明,在光照下MXMnIS的栅漏电导值更大,说明光照可以加强栅极和沟道之间的耦合效应,增大了IDS调制幅度。进一步研究发现,光照下MXMnIS的电荷输运状态和势垒分布发生改变,这主要源自MXMnIS异质结构中光生电子-空穴对的高效分离和转移。

3. 基于纳米酶的信号调控机理

为了实现对OA的超灵敏检测,我们设计了一种基于纳米酶介导的多重淬灭效应的OPECT生物传感策略。具体地,在OA存在的条件下,Ru-C₃N₄@Apt纳米酶可催化4-CN的氧化生成不溶性4-CD沉淀,附着在电极表面,从而大幅降低光电流。这种"阻碍效应"和"催化沉淀效应"共同作用,显著改变了MXMnIS栅极器件的电势分布,进而调制PEDOT:PSS沟道的掺杂状态,最终实现对OA的定量检测。

与单一的PEC或OECT系统相比,该OPECT平台具有显著的信号放大效果。在零V_G条件下即可获得最大g_m,大幅提高了生物检测的灵敏度。此外,MXene作为导电支架材料,能有效促进光生载流子的分离转移,为构建高性能OPECT生物传感器奠定了良好基础。

结论

作者首次将纳米酶介导的催化沉淀策略应用于OPECT技术,建立了一种新颖的OA超灵敏检测平台。该OPECT传感器不仅展现出优异的检测性能,而且为有效监测海洋生态环境和食品安全提供了新思路。这种集成光电生物分析与有机晶体管技术的创新方法,必将推动OPECT在环境检测领域的广泛应用。

参考文献

Chi, J.; Ju, P.; Bi, F.; Wang, S.; Jiang, T.; Wen, S.; Cai, Y.; Yin, X.; Qiu, M., MXene@MnIn₂S₄-Gated Organic Photoelectrochemical Transistors with Nanozyme-Mediated Multiple Quenching Effects for Ultrasensitive Detection of Okadaic Acid. Adv. Funct. Mater. 2024, n/a (n/a), 2407201.