Conductive Covalent Organic Frameworks as Chemiresistive Sensor Arrays for the Detection and Differentiation of Gasotransmitters

化学 共价键 导电体 纳米技术 分析物 氧化剂 硫化氢 共价有机骨架 一氧化碳 化学电阻器 金属有机骨架 聚合物 导电聚合物 碳纳米管 检出限 化学传感器 复矩阵 生物传感器
作者
Georganna Benedetto,Robert M Stolz,Zheng Meng,Joseph Y M Chan,Elissa O. Shehayeb,Colin T. Morrell,Gbenga Fabusola,Nikolaus Elsaesser,Cory M. Simon,Katherine A. Mirica
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (47): 43438-43452
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11454
摘要

This paper describes a chemiresistive sensor array using four structurally analogous, but chemically distinct, conductive covalent organic frameworks (COFs) (M-COF-DC-8, M = Fe, Co, Ni, and Cu) capable of detecting and differentiating four important gaseous analytes: nitric oxide (NO), carbon monoxide (CO), hydrogen sulfide (H2S), and ammonia (NH3). The COFs were synthesized from the condensation of 2,3,9,10,16,17,23,24-octaamino-metallophthalocyanine precursors with pyrenetetraone linkers resulting in chemically robust and electrically conductive materials. Chemiresistive sensing experiments, together with machine learning to parse the response pattern of the sensor array, show that the M-COF-DC-8 (M = Fe, Co, Ni, Cu) materials can detect and differentiate this suite of oxidizing and reducing gases at parts-per-million concentrations, with theoretical limits of detection (LOD) in the parts-per-billion range in dry N2. Importantly, the COF array containing M-COF-DC-8 (M = Co, Ni, Cu) retains its ability to detect and differentiate these analytes in air and humidity under low power consumption. Spectroscopic investigations reveal that the synthetic control over the identity of the metallophthalocyanine core efficiently tunes material-analyte interactions and, therefore, emergent device performance. The use of highly tunable COFs as the active material in sensor arrays enables low-power, sensitive, and real-time gas detection with future applications in healthcare and personal protection.
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