Rationally designed 2D material ionic sensors for highly selective and real-time taste sensors = 미각 센서 구현을 위한 이차원 구조 물질 기반 고감도·실시간 감지가 가능한 이온 센서
저자
발행사항
서울 : 서울대학교 대학원, 2022
학위논문사항
학위논문(박사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부 2022. 8
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
DDC
620.1
발행국(도시)
서울
형태사항
iv, 87 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 장호원
UCI식별코드
I804:11032-000000171834
소장기관
Due to their unique structural, chemical, and electronic properties, two-dimensional (2D) materials have been vigorously researched for application to sensing ions and molecules in liquid. 2D material properties such as high surface area-to-volume ratios and multiple reaction sites are ideal for fabricating cutting-edge high-performance chemical sensors. The detection of ions and molecules in liquids has received a lot of attention in the development of the electronic tongue.
High-sensitivity solution-gated field-effect transistors (SFETs) are useful for detecting ions and molecules by reading electrical transconductance. However, SFET-based ionic and molecular sensors have limitations such as a lack of a dynamic on–off function and low selectivity. We evaluate rationally designed graphene SFETs as pH and glucose selective sensors in this study. By controlling the injection and withdrawal of solutions, the integration of the microfluidic channel to the graphene SFET exhibits dynamic on–off functions. When coated with Nafion as a molecular sieve and Au-decorated nanoparticles as receptors, the graphene SFET device exhibits high pH and glucose selectivity. The ultimate goal of the ion or molecule sensor is the development of electronic tongue or taste sensors for use in medical, food, biotechnology, and health applications. Also, receptor for Na+ was also introduced to graphene channels. Calix[4]arene is an oligomer that selectively detects cations, especially, Na+ which may act as a receptor.
Not only graphene, but also, other 2D materials such as graphene oxide, reduced graphene oxide and mxene were used for ionic sensors. These materials are solution processed having many functional groups which are advantageous of detecting various ions or molecules in liquid. Particularly, mxene has their unique property of high conductivity due to the metallic region and high sensitivity due to the functional group region.
2D materials have high capacity of being a fundamental platform of E-tongues due to their unique features which correspond to the necessary characteristics of E-tongue. This study focuses on solving the problems of the traditional or existing E-tongues by using 2D materials and introducing the mechanisms of selectively detecting particular taste inducing substances.
독특한 구조적, 화학적 및 전자적 특성으로 인해 2차원(2D) 재료는 액체에서 이온과 분자를 감지하기 위해 활발히 연구되었다. 높은 표면적 대 부피 비율 및 다중 반응 작용기와 같은 2D 재료의 속성은 최첨단 고성능 화학 센서를 제작하는 데 이상적이다. 액체에서 이온과 분자의 검출은 전자 혀의 개발에서 많은 관심을 받았는데, 그 이유로는 고감도 솔루션 게이트 전계 효과 트랜지스터(SFET)의 전기적 트랜스컨덕턴스를 읽는 방식이 이온과 분자를 감지하는 데 유용하기 때문이다. 그러나 SFET 기반의 이온 및 분자 센서는 동적 온-오프 기능이 부족하고 선택성이 낮다는 한계가 있다. 이 연구에서 합리적으로 설계된 그래핀 SFET를 pH 및 포도당 선택성 센서로 평가한다. 그래핀 SFET에 마이크로 플루이딕 채널의 통합을 통해 용액의 주입 및 회수를 제어함으로써 동적 온-오프 기능을 구현할 수 있다. 분자체(molecular sieve)로 나피온(Nafion)을 코팅하고 수용체로 금으로 장식된 나노입자를 코팅할 때 그래핀 SFET 소자는 높은 pH와 포도당 선택성을 나타낸다. 또한 Na+에 대한 수용체도 그래핀 채널에 도입되었다. 사용된 리셉터는 Calix[4]arene이란 물질로 이는 양이온, 특히 수용체로 작용할 수 있는 Na+를 선택적으로 검출하는 올리고머이다. 이처럼 2D 재료 (특히 그래핀)는 전자 혀의 필수 요소에 해당하는 고유한 특성으로 인해 전자 혀의 기본 플랫폼으로 발전할 수 있는 높은 역량을 가지고 있다. 이 연구는 2D 재료를 사용하여 기존 또는 기존 전자 혀의 문제를 해결하고 특정 미각 유발 물질을 선택적으로 감지하는 메커니즘을 도입하는 데 중점을 둔다.
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