金属氧化物室温气敏材料的结构调控及传感机理

室温气敏材料能耗低、稳定性好、安全性高,并且有助于简化传感器的器件结构,具有很好的实际应用前景。开发具有优异室温传感性能的气敏材料成为近年来传感领域的研究热点。金属氧化物半导体材料来源广泛、环境友好、结构调控灵活,在室温气体传感性能方面取得一定的进展。本文介绍了金属氧化物气敏材料的发展历程及气体传感机理,详述了各种具有室温气敏性能的金属氧化物纳米结构,重点讨论构建金属氧化物室温传感性能的有效策略和传感机制,并对室温传感材料的未来发展进行了展望。     

气敏新材料MXenes在呼出气体传感器中的应用

电子鼻结合人工智能对呼出气进行检测、分析和识别已成为非侵入性医疗检测领域的研究热点。然而,目前已报道的气体传感材料尚不能同时满足高灵敏度、高选择性和稳定的室温检测,阻碍了气体传感器在医疗健康领域的应用及发展,寻找合适的传感材料具有重要的意义和挑战。新型二维层状纳米材料MXenes具有种类多、比表面积大、导电性能强、表面含有丰富的官能团以及能带宽度可调等优异性能,是高灵敏、低能耗气体传感器的明星候选材料。本综述针对MXenes基材料的特殊结构,总结梳理了MXenes基材料在气体传感中的最新研究成果,聚焦于MXenes材料的气体传感机理和改性方法,对MXenes材料用于气体传感依然存在的问题和挑战进行深入探讨。     

DNA-二维纳米片层材料传感平台的构建及其应用

DNA-二维纳米片层材料传感平台结合DNA分子特异性识别能力与二维纳米片层材料优越的物理、化学特性,已成为化学/生物传感器领域重要的研究方向之一.鉴于二维纳米片层材料领域的快速发展,首先介绍了DNA-二维纳米片层材料传感平台的构筑机理,随后重点综述了该传感平台在化学、生物目标物分析检测中的应用研究,并对该类传感平台的应用前景做了展望.     

核酸适体功能化的二维材料场效应晶体管传感器研究进展

二维材料场效应晶体管传感器具有可调的电学性质和高的灵敏度, 非常适合用于构建高性能的传感器, 应用于疾病诊断和环境监测等领域. 核酸适体是一种生物识别分子, 具有特异性强、 稳定性高等优势. 近年来, 核酸适体功能化的二维材料场效应晶体管传感器在医疗诊断和环境监测等领域取得了显著的研究进展. 本文综合评述了核酸适体功能化的二维材料场效应晶体管传感器的最新研究进展, 对场效应晶体管传感器的结构及传感原理进行了概括, 详细介绍了二维材料的制备方法以及核酸适体功能化器件的设计原理. 在此基础上, 对核酸适体功能化的二维材料场效应晶体管传感器在疾病诊断和环境监测领域的应用进展进行了概述, 讨论了核酸适体功能化的二维材料场效应晶体管传感器面临的一些问题和挑战, 对其发展前景进行了展望.     

基于LDHs荧光材料的组装及二维限域效应研究

近年来,层状双金属氢氧化物(LDHs)因其特殊的二维结构及限域环境,作为主体材料构筑了一系列性能优异的插层结构材料,在发光、成像、传感等领域显示了广泛的应用前景.本文从插层客体、组装方法及LDHs的二维限域效应等方面详细介绍了基于LDHs荧光材料的最新研究进展,讨论了二维限域效应与发光性能的内在关联,并探讨了LDHs材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

超分子聚集诱导发光材料的研究进展及展望

通过超分子自组装构建发光材料是超分子化学研究的重要领域之一.超分子自组装作为一种简单且高效的手段,可以将不同结构的分子通过非共价键作用力构建成具有精确结构和多功能的组装体,进一步赋予了超分子材料独特的物理特性.由于超分子发光材料中非共价键相互作用力具有动态且可逆的性质,因此使其具有对刺激物特异性识别和对微环境变化敏感的特点,从而被广泛应用于生物传感和成像、药物传递、化学传感、人工光收集系统、信息加密和光催化等领域.基于此,为了了解超分子发光材料的最新研究进展,主要按照氢键相互作用、π-π堆积和多种非共价键相互作用,较系统地阐述了最近四年超分子发光材料,从设计到制备再到应用的最新研究进展,并且进一步展望了其未来所面临的挑战.     

宏观超分子组装——超分子材料制备新理念

近年来,宏观超分子组装已经逐渐发展成为超分子化学中的一个新兴研究方向.宏观超分子组装是指特征尺寸在微米及微米以上尺度的构筑基元,通过分子间相互作用发生组装,形成有序结构的过程,是实现"全尺度自组装"不可或缺的环节,为超分子体相材料的制备提供了新的理念和方案.本文从宏观超分子组装的发展概况、设计原则与策略和应用方向3个方面展开综述,介绍了从基于长程作用力的"宏观组装"到基于分子间相互作用的"宏观超分子组装"的区别与联系,阐释了实现宏观超分子组装的设计原则和相关机理.最后,针对实现超分子材料广泛应用的目标,从"精准组装"的角度综述了提高组装结构有序程度的方法,以及宏观超分子组装在组织工程支架等方面的应用前景.     

软外延生长法构筑纳米粒子超晶格材料

由纳米粒子自下而上自组装而成、高度有序的纳米粒子超晶格材料是近年来兴起的一类新型材料.本文主要概述了软外延生长法构筑纳米粒子超晶格材料的概念及组装策略,结合近几年本课题组的相关研究工作,主要介绍了几种不同的基底材料,以及通过调控基底与纳米粒子之间的相互作用来构建纳米粒子超晶格材料.具体包括以纳米粒子超晶格、有机分子笼晶体以及超分子组装体等作为基底诱导纳米粒子软外延生长.通过软外延生长法可实现对纳米粒子超晶格维度(包括一维、二维以及三维)的有效调控.同时,阐明了纳米粒子与基底材料的弱键相互作用机制,该机制也成为构筑无机纳米粒子/有机分子有序组装体重要的物理化学基础.     

薄膜基荧光气体传感器中的涂层化学

近年来,高性能薄膜基气体传感器的研制备受关注,所涉及的涂层化学已经成为物理化学学科发展的一个热点。传感因分析物与敏感层(涂层)物质相互作用引起薄膜特定静态及动态物理量变化而实现,因此,薄膜传感性能势必受到敏感层物质种类和敏感层微纳结构等因素影响。就薄膜基荧光传感而言,荧光敏感物质的结构和性质对薄膜传感性能起着至关重要的作用。同时,因毛细凝结、色谱效应、尺寸效应、分子间相互作用等因素的存在,敏感层微观结构也极大地影响着薄膜的传感性能。本文结合课题组近期研究工作,简要讨论薄膜基荧光气体传感器研究中的涂层化学基本问题,以及相关薄膜基荧光传感器在隐藏爆炸物、毒品、挥发性有机污染物检测/监测等方面的应用探索。最后,文章展望了薄膜基荧光气体传感器的发展前景和所面临的主要挑战。     

气态酸和有机胺响应的超分子凝胶

超分子凝胶是由有机分子在非共价键作用力驱动下自组装形成的一种具有液态和固态双重性质的软物质。超分子凝胶能对多种外界刺激做出响应,广泛应用于催化和传感等领域。与传统的小分子探针相比,超分子凝胶传感器显示出了多种检测模式和多信号输出的优点,如超分子凝胶材料的内部三维网络结构和较大的接触面积有利于分析物的快速渗透,并且其凝胶状态的变化可以作为检测过程中的输出信号。此外,干凝胶薄膜材料还具有三维网络结构,在检测气体分析物方面表现出优异的检测性能。本文重点介绍了超分子凝胶在气态酸和有机胺检测中的应用以及相关超分子凝胶的设计和检测机理,为构建用于气态酸和有机胺检测的新型超分子凝胶提供了参考。最后总结了超分子凝胶在气态酸和有机胺检测中存在的问题及应用前景。     

LDHs薄膜基纳米荧光传感器的制备及其研究进展

层状复合氢氧化物(LDHs)是一种层板金属元素和层间离子可调的无机层状材料,利用其独特的插层组装特性,基于静电、氢键、范德华力等相互作用力,功能性荧光客体分子可与LDHs纳米片复合构筑多功能荧光薄膜材料.LDHs薄膜基荧光材料用于荧光传感器,在有机挥发性气体(VOCs)、温度、压力、重要生物分子等的检测中显示了良好性能.本文总结了LDHs复合薄膜的制备方法以及近年来其在纳米荧光传感领域的进展,并对其未来发展做出了展望.     

二维材料场效应晶体管生化传感器件的研究进展

场效应晶体管（Field effect transistor, FET）生化传感器件具有噪声小、功耗低、免标记、易于集成和小型化等优点,在环境监测、食品安全、疾病诊断和临床治疗等领域具有良好的应用前景。二维材料作为新一代FET生化传感器件的沟道材料,具有原子级厚度、高载流子迁移率、高比表面积和可调带隙等特性,可进一步提升FET生化传感器件的性能和拓展器件应用场景,推动FET生化传感器件的快速发展。本文综述了近年来二维材料FET生化传感器件的发展历程和最新进展,分析了二维材料FET生化传感器件的挑战和发展前景,以期为研究人员设计新的生化传感器件提供思路,促进生化传感技术的进一步发展。     

二维有机组装体的可控制备

二维有机组装体是一类具有特殊形貌和性质的有序结构, 有可能带来新功能和光电子领域的潜在应用, 但如何实现二维有机组装体的可控制备是尚待解决的问题. 针对这一问题, 我们通过对构筑基元的理性设计, 调控分子间的相互作用, 发展了三种可控制备二维有机组装体的新方法: (1)利用疏水有机阴离子作为Bola型两亲分子的抗衡离子, 能够削弱亲水头基间的静电排斥作用, 从而诱导两亲分子的组装结构从一维向二维转变; (2)基于非共价键形成超两亲分子, 通过设计和控制超两亲分子的拓扑结构, 简便有效地实现二维组装体的制备; (3)通过共价修饰或引入新的非共价键, 以限制三维结构在某一方向上的生长, 从而降低三维结构的维度, 也能实现二维组装体的可控制备. 未来, 上述研究有望进一步拓展, 并实现功能二维有机组装体的构筑.     

二维原子晶体材料的制备与应变传感特性研究

二维原子晶体材料由于具有优异的光、电、力、磁和热学等性能而引起了广泛的研究兴趣。尤其,二维原子晶体材料在微小形变下可以产生较大的电阻变化,且能够承受比相应体材料更大的弹性应变而不至于使其结构破坏,在应变传感器方面具有重要的潜在应用价值,并且有望构建在各种条件下适用的柔性集成化的电子器件。目前,二维原子晶体材料备受关注的是石墨烯、二硫化钼和黑磷。本文从上述三种典型二维材料的基本物性出发,基于其物理性质和微观结构从理论上解释二维材料的应变传感特性,并详细介绍二维材料的各种制备方法如机械剥离法、溶液法和化学气相沉积法(CVD)等。在材料制备的基础上,阐述了石墨烯、二硫化钼、黑磷在应变传感领域如健康监测、可穿戴器件、电子皮肤等方面的具体应用,并展望了二维材料未来的研究方向与应用前景。     

二维材料的凝胶化及电化学储能应用

近年来, 二维材料由于其独特的结构以及高电化学活性在储能领域中备受关注. 然而在实际应用中, 二维材料的“面-面”堆叠极大地限制了其性能的发挥. 凝胶化作为实现纳米材料液相三维组装的重要手段, 不仅可以有效减少二维材料的团聚, 保留更多活性位点, 同时形成的三维网络结构可以提供畅通的离子电子传输通道, 提升材料在储能应用中的实用性. 不仅如此, 二维材料的凝胶化在电极材料孔结构设计以及活性物质缓冲空间定制方面具有先天优势. 本文以氧化石墨烯凝胶化过程的方法和原理为基础, 综合评述了石墨烯及其它几类较典型的二维材料的凝胶化机制及方法, 梳理了其孔结构调控策略, 并对凝胶化二维储能材料的设计以及应用进行了归纳、 总结及展望.     

具有纳米孔洞的金属-有机超分子聚合物与功能材料

本文介绍了近几年来一个热门的研究领域－纳米超分子笼和具有纳米孔洞的金属－有机聚合物的研究现状和发展趋势。目前该领域的研究主要集中在：设计合成有机桥联配体并与金属离子自组装成各类具有纳米孔洞的超分子化合物和一维、二维或三维的金属－有机聚合物,应用结构化学研究手段,研究它们的自组装规律、空间结构、电子结构及其物理化学性能,寻找这两类化合物在生物工程与功能材料等领域中的应用。     

二维半导体材料纳米电子器件和光电器件

近年来,随着各领域对微电子器件集成度及性能要求的不断提高,发展基于二维半导体材料的新型高性能功能性器件成为了突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向。目前,作为新型二维半导体材料的代表,二维过渡金属二硫化物、二维黑磷以及范德瓦尔斯异质结凭借其在电学、热学、机械、光学等方面的优异性能已经成为了发展高性能纳米电子器件和光电器件的最具潜力的材料之一。在本综述中,首先概述了几种用于纳米器件的常见二维材料,分析了材料的结构、性能及其在纳米器件中的应用,其次重点对基于过渡金属二硫化物、黑磷以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的纳米电子器件和光电器件的最新研究进展进行讨论,最后对目前二维半导体纳米器件所面临的挑战以及未来的发展方向进行总结及分析,从而为未来发展高性能功能性纳米器件提供支持。     

基于石墨烯功能复合材料的DNA电化学生物传感器

石墨烯(Gr)是一类由单层碳原子组成的二维碳质材料,利用它独特的结构和良好的物理、化学性能,可构筑出在电催化、电化学传感器和生物传感器等领域有着巨大应用潜力的新型Gr功能复合材料。基于Gr功能复合材料的DNA电化学传感器与常规DNA传感器相比,具有明显的特色和优势,已被应用于特异DNA靶序列的识别和传感领域。本文就基于Gr功能复合材料的DNA电化学传感器的近期进展作简要评述,包括Gr与Gr基金属、金属氧化物、高分子、生物分子复合材料的电化学性能及其在DNA电化学传感中的应用,并对该类DNA电化学传感器的发展方向和应用前景进行了展望。     

基于热电材料的新型传感器研究进展

传感器作为现代智能工业的核心部件之一,凭借其优良的性能,越来越受到关注.本文总结了热电材料在传感器应用方面的研究成果,特别是硅基、碳基、铅基、碲基、贵金属类、有机类以及催化类的热电材料对传感器高灵敏度、高响应值、高稳定性等方面的影响.已有研究表明,通过在微米纳米尺度合成及加工所形成的低维微纳结构的热电材料,能够获得高ZT值和更高的热电性能.这一特性与传感器微型化方向发展一致.低维微纳结构的热电材料未来必将能够拓展传感器的特性和适用领域,促进传感器朝着高精尖模式的发展.     

具有纳米孔洞的金属-有机超分子聚合物与功能材料

本文介绍了近几年来一个热门的研究领域-纳米超分子笼和具有纳米孔洞的金属-有机聚合物的研究现状和发展趋势。目前该领域的研究主要集中在:设计合成有机桥联配体并与金属离子自组装成各类具有纳米孔洞的超分子化合物和一维、二维或三维的金属-有机聚合物,应用结构化学研究手段,研究它们的自组装规律、空间结构、电子结构及其物理化学性能,寻找这两类化合物在生物工程与功能材料等领域中的应用。