联合国可持续发展目标倡导，到2030年人人都应能够普遍、公平地获得安全且负担得起的饮用水，寻求一种便携、经济的原位监测手段对于评估水体中潜在的健康危害具有重要意义。有机光电探测器（OPDs）因其柔性、轻薄等特性，成为原位水污染物监测领域中便携检测器的有力候选。得益于高性能有机光伏材料的迅速发展，二极管型OPDs的外量子效率可达~90%；但有机半导体材料，尤其是聚合物类材料，较高的能量无序性和缺陷态密度，使得OPDs的噪声依然处于偏高水平（10⁻¹⁴-10⁻¹³ A Hz^−1/2），限制了其比探测率（D^* <10¹³ Jones）的提升，难以达到低于污染物排放安全阈值（约0.01-0.1 mg L⁻¹）的检出限（LOD）要求。

在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室林禹泽课题组在高灵敏有机光电探测方面开展了深入研究，取得了系列进展（Adv. Mater. 2022, 34, 2201600; Sci. Adv. 2023, 9, eadf6152）。

最近，该课题组报道了一种由胶体加工的有机半导体薄膜所构筑的高性能OPDs，实现了对水中痕量污染物的高灵敏精确检测。相较于传统的溶液加工方法，胶体加工策略使得有机半导体薄膜呈现出更为致密和有序的分子堆积，显著降低了薄膜内的能量无序和缺陷密度，进而大幅降低了相应OPDs的噪声电流（i_n），并显著提升了其D^*。经过优化的胶体加工OPDs（CP-OPDs）的噪声降至2.6 × 10⁻¹⁵ A Hz^−1/2，D^*高达4.1 × 10¹³ Jones。该探测器可检测的最弱光强低至0.12 pW cm⁻²（@800 nm），优于已报道的有机半导体、钙钛矿和量子点等新型光电探测器，可与高品质的商用硅探测器相媲美，优于众多常用的硅探测器型号。基于高性能的CP-OPDs器件，成功实现了对水中痕量染料类污染物（LOD = 0.02 mg L⁻¹）和叶绿素A类似物（LOD = 0.05 mg L⁻¹）的高灵敏精确检测；检出限分别低于相应排放安全阈值和水富营养化标准，超过了商业硅探测器的检出能力。

相关研究成果近日发表在Nature Water, DOI: 10.1038/s44221-024-00247-0。论文第一作者为博士后李腾飞，胡刚舰为共同第一作者，通讯作者为林禹泽研究员、沈亮教授（吉林大学）和乔燕研究员。

高灵敏CP-OPDs实现痕量水污染物检测

有机固体院重点实验室

2024年6月17日