双位点Cu金属化HOF材料实现创纪录的电流增益和高效生物传感

首页 > 行业动态 > 双位点Cu金属化HOF材料实现创纪录的电流增益和高效生物传感

摘要
南京大学赵伟伟与盐城工学院王伟、孔粉英团队联合发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e4615540的研究中，针对光电化学晶体管（PECT）高电流增益与生物传感集成不足的难题，设计合成了具有供体-受体（D-A）架构的双位点（DS）Cu(II)金属化氢键有机框架HOF。该材料在PECT中实现了创纪录的4.7×10⁵高电流增益。这归因于卟啉中心和二氨基三嗪基序处的缺电子原子分散双位点Cu金属化显著降低了功函数，促进了分子间电荷转移。结合酸解触发适配体传感，器件对河豚毒素检测限低至6.6 fg/mL，为超灵敏生物传感提供新平台。

研究背景
1. 行业问题：
光电化学晶体管（PECT）在生物传感等领域潜力巨大，高电流增益是评估其信号放大效率的关键。然而，目前集成生物传感的高增益PECT研究仍欠发达，缺乏兼具高增益与高灵敏度的理想通道材料。
2. 现有方案：
学者开发了石墨烯和有机PECT，但增益有限。氢键有机框架（HOFs）通过引入供体-受体（D-A）基元可降低激子结合能，加速电荷转移，但单靠D-A架构难以实现极高电流增益。
3. 本文创新：
提出在D-A型HOF中引入双位点Cu(II)金属化策略，在卟啉中心和二氨基三嗪基序同时锚定Cu原子。该设计增强了非共价相互作用，显著降低材料功函数，实现创纪录电流增益，并成功用于超灵敏河豚毒素检测。

实验部分
1. HOF合成与金属化：
以金属卟啉和二氨基三嗪衍生物为前驱体，通过氢键和D-A作用自组装合成了卟啉结构的DAT型HOF材料(DAT = 2,4-diamino-1,3,5-triazine)。随后在卟啉中心和二氨基三嗪基序引入Cu(II)离子，制备双位点Cu金属化HOF（DS-Cu-HOF），增强了框架稳定性和光电活性。
2. PECT器件构建：
将DS-Cu-HOF修饰于电极表面构建PECT器件。在光照和栅极电压调控下测试源漏电流变化，器件展现出优异晶体管特性，获得高达4.7×10⁵的创纪录电流增益。
3. 生物传感应用：
利用酸解触发Cu(I)释放机制，结合适配体特异性识别构建传感平台。器件在实际样品中表现出极低检测限和优异抗干扰能力。

分析测试
1. 结构与孔隙表征：PXRD和电镜显示材料具高结晶度和规则形貌。N₂吸附测试表明，DS-Cu-HOF具永久孔隙率，BET比表面积高达1250 m²/g，平均孔径1.8 nm，为底物扩散提供丰富通道。XAFS证实Cu原子呈原子级分散及Cu-N4/Cu-N配位环境。
2. 光电与功函数测试：UPS测试表明，双位点Cu金属化使材料功函数从5.2 eV显著降至4.6 eV。光电测试显示，DS-Cu-HOF光电流响应大幅提升，电荷转移电阻（Rct）降至120 Ω，揭示其优异的光生载流子分离效率。
3. 传感性能评估：电化学测试显示，随河豚毒素浓度增加信号规律变化。校准曲线表明检测限低至6.6 fg/mL，线性范围达10 fg/mL至10 ng/mL，证实了复杂基质中的高灵敏度。

机理分析
1. 高增益机理：
DFT计算表明，双位点Cu(II)金属化在D-A架构中引入缺电子中心，显著降低体系功函数和激子结合能，促进光生电子从供体向受体快速转移，减少复合，从而在PECT中实现极高电流增益。
2. 信号放大机理：
酸性条件下，HOF中Cu(II)被还原释放Cu(I)离子。Cu(I)与适配体特异性作用触发构象变化，导致界面电荷转移阻抗剧烈改变，实现河豚毒素超灵敏信号放大检测。

总结
本文成功设计合成了具有D-A架构的双位点Cu(II)金属化HOF。通过双位点金属化策略显著降低材料功函数，促进分子间电荷转移，在PECT中实现创纪录的4.7×10⁵高电流增益。结合酸解触发机制，器件对河豚毒素检测限低至6.6 fg/mL。该工作为高性能光电器件和超灵敏生物传感平台构建提供了创新思路。

文章标题：Dual-Site Cu(II) Metalation in Donor−Acceptor Hydrogen-Bonded Organic Framework Enables Record High-Gain Photoelectrochemical Transistor for Ultrasensitive Biosensing
作者：Lu Hou, Cheng-Shuang Wang, Xu Zhang, Rui Zhang, Fen-Ying Kong, Wei Wang, Wei-Wei Zhao
DOI：10.1002/anie.4615540
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.4615540

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。

南京大学赵伟伟与盐城工学院王伟、孔粉英团队在Angew报道了双位点Cu金属化供体-受体HOF，实现创纪录的4.7×10⁵光电化学晶体管电流增益，河豚毒素检测限低至6.6 fg/mL。