「五院院士」鮑哲南教授，最新AM：聚合物涂層“調峰”技術，破解電化學傳感器選擇性難題

電化學傳感器因成本低、可小型化且操作簡便，在健康監(jiān)測領域備受關注，尤其適用于汗液、唾液等非侵入式體液中的生物標志物追蹤。然而，其實際應用長期受限于選擇性不足：許多生物標志物具有相似的氧化電位，在復雜體液中信號嚴重重疊，難以區(qū)分。盡管納米材料工程和導電聚合物涂層已顯著提高靈敏度，但選擇性瓶頸仍未突破——例如，當干擾物（如抗壞血酸）濃度比目標物（如血清素）高出數個數量級時（μM vs nM），傳感器幾乎無法可靠識別目標分子。

斯坦福大學鮑哲南院士團隊報道了一種通過中性聚合物涂層調控電化學傳感器氧化峰電位的通用策略。研究顯示，聚(4-乙烯基吡啶)（P4VP）涂層可顯著改變抗壞血酸（AA）和血清素（5-HT）的氧化電位，使原本重疊的信號分離，從而實現在高濃度AA背景下對5-HT的清晰檢測。該效應在碳花（CF）電極上同樣成立，并適用于雌二醇（E2）、褪黑素（Mel）等多種生物標志物。機理研究揭示，聚合物通過改變擴散系數、吸附電荷及氫鍵作用，差異化地影響不同分子的界面行為。相關論文以“Tuning Selectivity of Electrochemical Sensors With Polymer Coatings”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1 | 概念示意圖。 (a) 在裸電極上，兩種生物標志物擴散至電極表面，并在相近電位下被氧化，產生重疊的伏安信號。(b) 聚合物涂層調節(jié)每種生物標志物的擴散和局部電子環(huán)境，從而實現選擇性檢測。

聚合物涂層調控氧化電位，實現信號分離

研究團隊首先以玻碳電極（GCE）為模型，對比了裸電極與P4VP涂層電極的電化學響應。裸電極上，AA和5-HT的方波伏安（SWV）信號嚴重重疊：AA氧化峰位于0.08±0.01 V，而5-HT在0.30和0.39±0.01 V處出現特征雙峰（歸屬于依次氧化為碳正離子和醌亞胺[35]），兩者在0.2–0.4 V區(qū)間相互干擾（圖2a）。當在500 μM AA背景下逐步加入5-HT（500–3000 nM），5-HT信號完全被AA的寬肩峰掩蓋（圖2b）。而引入P4VP涂層后，AA的氧化峰負移至–0.03±0.02 V，5-HT雙峰則正移至0.31和0.49±0.01 V（圖2c），峰值間距顯著拉大。在相同混合體系中，隨著5-HT濃度升高，其信號仍清晰可辨（圖2d）。值得注意的是，AA電流從2.7 μA降至29 nA（降幅約兩個數量級），而5-HT降幅約一個數量級（圖2f），這種差異化的電流抑制與P4VP對兩者擴散系數的不同影響一致。

圖2 | 聚合物改變氧化峰電位。 (a) 裸GCE上300 μM AA或500 nM 5-HT的單組分SWV掃描疊加圖。(b) 含500 μM AA及遞增5-HT濃度（500–3000 nM）的混合液SWV掃描。(c,d) P4VP修飾電極上的相應SWV掃描。(e,f) 有無P4VP時AA和5-HT的峰電位與峰電流比較。

機理揭示：擴散受阻與氫鍵作用主導

為探究P4VP的作用機制，團隊采用雙電位階躍計時庫侖法（CC）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。CC結果顯示，P4VP涂層后AA的表觀擴散系數從9.4×10??降至6.08×10?? cm2/s（降幅約15倍），而5-HT僅從2.9×10??降至6.6×10?? cm2/s（降幅約4.4倍）（圖3d），這與電流抑制幅度的差異完全吻合。吸附電荷的變化更為關鍵：P4VP使AA的吸附電荷增加，卻使5-HT的吸附電荷減少（圖3e）——這種差異與氧化電位移動方向直接相關（增強吸附趨向于降低氧化電位，而吸附減少則使電位正移）。FTIR光譜證實，P4VP的吡啶氮與兩種生物標志物均形成氫鍵（表現為O–H/N–H伸縮振動區(qū)展寬和紅移，圖3f–g），但氫鍵對電子密度的影響不同：對5-HT而言，氫鍵從吲哚單元拉走電子密度，使氧化更困難；對AA，氫鍵結合強吸附效應反而降低了表觀氧化電位。

圖3 | 機理研究。 (a) 裸GCE（虛線）和P4VP-GCE（實線）上200 μM 5-HT和2000 μM AA的計時庫侖曲線。(b) AA的Anson圖。(c) 5-HT的Anson圖。(d) 推導出的擴散系數。(e) 推導出的吸附電荷。(f) P4VP、AA、混合物及理論自排序光譜的FTIR測量結果。(g) 5-HT的類似FTIR結果。

策略普適性：多種聚合物與生物標志物驗證

該策略不僅限于P4VP和AA/5-HT。研究團隊測試了聚(2-乙烯基吡啶)（P2VP）、聚苯乙烯（PS）和聚偏氟乙烯（PVDF）四種聚合物，以及雌二醇（E2）和褪黑素（Mel）。結果顯示，吡啶類聚合物（P4VP、P2VP）對AA均產生顯著負移（最低至–0.04 V），而對5-HT、E2和Mel均產生正移（圖4a–d）。PS幾乎不改變峰值電位，與其弱相互作用一致；PVDF則將AA峰值推向更高電位，推測與其疏水性阻礙親水AA擴散有關。值得注意的是，單一聚合物描述符（如氫鍵堿性、極性、溶脹度、質子化狀態(tài)）無法完全預測響應，但該策略的模塊化特性使其可作為一種“工具箱”，通過組合不同聚合物實現多目標物差異化檢測。

圖4 | 峰值電位偏移。 (a) AA在PVDF、P2VP、P4VP、PS和裸GCE上的峰位。(b) 5-HT的相應結果。(c) E2的相應結果。(d) Mel的相應結果。

從剛性電極到可拉伸碳花電極：實際應用跨越

為實現可穿戴應用，團隊將聚合物涂層與碳花（CF）電極結合。CF具有高比表面積和良好導電性，可通過噴涂法在柔性SEBS基底上制備（圖5a–c）。在PVDF-CF電極上，AA（3–10 μM）和5-HT（50–500 nM）信號仍然嚴重重疊（圖5e–f）；而P4VP-CF電極則重現了GCE上的選擇性趨勢：AA響應被抑制，5-HT、E2和Mel峰值正移，使AA與5-HT可在混合物中清晰區(qū)分（圖5g–h）。盡管P4VP-CF的檢測限（LOD）高于PVDF-CF（圖5i），但兩者均達到納摩爾級靈敏度（AA為3–10 μM，5-HT/E2/Mel為50–500 nM），足以滿足臨床需求。更重要的是，在CF電極上測得的氧化電位與GCE結果高度一致（圖5j），證明該策略不受基底形貌影響。此外，PVDF作為粘結劑時，CF電極對E2和Mel的區(qū)分度有所改善，進一步驗證了聚合物在選擇性調控中的核心作用。

圖5 | 可拉伸碳花傳感器。 (a) 單個CF的SEM圖像。(b) 通過噴涂法制備CF傳感器的示意圖。(c) 柔性傳感電極照片。(d) P4VP-CF電極的SEM圖像。(e) PVDF-CF電極上AA、5-HT、E2和Mel的單組分伏安圖疊加。(f) 相應混合物的伏安圖。(g) P4VP-CF電極上四種組分的單組分伏安圖疊加。(h) 相應混合物的伏安圖。(i) PVDF-CF和P4VP-CF的檢測限比較。(j) P4VP或PVDF在GCE和CF上的氧化電位。

總結與展望

本研究證實，中性聚合物涂層是一種簡便、通用且高效的策略，可顯著提升碳基電化學傳感器的選擇性。通過P4VP等聚合物，AA和5-HT等共存生物標志物的氧化電位得以分離，從而在復雜混合物中實現可靠檢測。機理研究表明，聚合物通過調控擴散系數、吸附電荷和氫鍵網絡，差異化地影響不同分子的界面行為。該策略已擴展至多種聚合物（P2VP、PS、PVDF）和生物標志物（E2、Mel），并在柔性碳花電極上成功驗證，為可穿戴健康監(jiān)測奠定了材料基礎。未來，通過更可控的聚合物沉積工藝及結合數據驅動方法篩選聚合物官能團，有望構建多電極傳感器陣列，實現復雜體液中多種目標物的同步精準檢測，推動電化學傳感器向個性化醫(yī)療和實時健康管理邁進。