敏感效应、机制与材料研究

  

  作为国家重点实验室,在MEMS与传感器结合的前沿研究方面,实验室利用本领域不同学科交叉创新的特点,在敏感效应、机制和材料的研究方向上也做了重要的部署。 

  基于“材料基因组”研究新概念,实验室创新研究出变温谐振痕量实验范式,可对界面分子作用型生化敏感材料的热力学和动力学整套参数进行痕量提取,进而开创了定量化的生化敏感材料评估和优化模型方法,可指导新型敏感材料与敏感效应的高效研发,此方向的创新研究先后获得了基金委重大科学仪器项目和国家重点研发项目的支持,该成果相继发表在JMC-A Small ACALab on a chip等期刊上。 

  基于对具有瞬态溶解和电子功能特性的新型材料的研究,开发与之对应的材料制备方法和器件制备工艺,开发并充分研究瞬态溶解机制。通过采用硅纳米薄膜(硅在pH 7.4的生理环境下会发生缓慢降解)作为半导体材料, 生物可降解金属镁作为导体, 二氧化硅或氧化镁作为层间电介质,利用生物可降解的蚕丝蛋白作为衬底和封装材料, 结合现代柔性电子制备技术,实现蚕丝蛋白基瞬态集成电子器件。因为所有使用的材料具有水溶性和生物相容性,可以作为可完全降解的植入式生物电子器件,其器件的寿命可通过蚕丝蛋白封装层决定。动物实验证明,将上述器件植入小鼠体皮下3个星期后基本被降解完全,器件的功能也随着降解的进行而逐渐消失,并可通过无线方式外部实时监测,从而使生物体避免承担不必要的设备负荷,而且不再需要外科手术取出。相关成果发表于2012年的Science封面文章和2014PNAS文章。 

  此外,实验室针对过氧化物、硝酸酯和有机胺等三类化学危险品的检测,开展了高灵敏敏感材料,敏感器件和探测仪的研制工作:针对有机胺,利用特异性化学反应分别实现了对伯胺和仲胺的高灵敏和快速检测,将两种或多种传感单元引入一种分子或聚合物,同时实现了对多种胺类物质的“指纹”识别;针对过氧化物类,利用探针的脱硼酯反应结合纳米线阵列或基于醛基氧化反应,研制成了系列过氧化物敏感材料与器件;针对液态爆炸物如硝酸酯,研制成了POSS为核的多发光臂的新型荧光探针和八芘代芴二倍体荧光探针,分别实现了爆炸物蒸气和接触式痕量炸药的高灵敏和快速检测,在两类敏感材料的成功研制的基础上,成功研制了双功能爆炸物探测仪。此方向研究多次在高水平期刊上发表封面文章,还获得了上海市科技进步奖二等奖一项;SIM系列炸药探测仪参与完成了亚运会、青奥会等多种重大场合和多种场所的安检任务,还被科技部选为我国纳米领域五项代表科技成果之一,参加了201410月由李克强总理带队的莫斯科国际创新发展论坛及展览。 

  在“十三五”期间,我们将继续探讨新的敏感原理与机制,研制更多敏感材料和增敏结构,通过采用MEMS/NEMS 等微纳制造技术,构建多功能、多用途的新型敏感器件,并在纳米测量方法、技术和装置方面有所突破,开创出崭新的纳米效应的测量方法和科学工具;此外,我们还将创建瞬态溶解电子技术的材料库,并开发出其所需的制造工艺,采用溶解动力学手段在分子水平上诠释各种材料溶解的内在机理,从基底、器件、生物酶和封装多个研究层次构建完善的材料精准可控触发溶解机制,在材料、工艺和机理方面,为实现瞬态电子系统的精准、智能、多层级可控溶解打下坚实的基础。 

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