「五院院士」鲍哲南教授，最新AM：聚合物涂层“调峰”技术，破解电化学传感器选择性难题

电化学传感器因成本低、可小型化且操作简便，在健康监测领域备受关注，尤其适用于汗液、唾液等非侵入式体液中的生物标志物追踪。然而，其实际应用长期受限于选择性不足：许多生物标志物具有相似的氧化电位，在复杂体液中信号严重重叠，难以区分。尽管纳米材料工程和导电聚合物涂层已显著提高灵敏度，但选择性瓶颈仍未突破——例如，当干扰物（如抗坏血酸）浓度比目标物（如血清素）高出数个数量级时（μM vs nM），传感器几乎无法可靠识别目标分子。

斯坦福大学鲍哲南院士团队报道了一种通过中性聚合物涂层调控电化学传感器氧化峰电位的通用策略。研究显示，聚(4-乙烯基吡啶)（P4VP）涂层可显著改变抗坏血酸（AA）和血清素（5-HT）的氧化电位，使原本重叠的信号分离，从而实现在高浓度AA背景下对5-HT的清晰检测。该效应在碳花（CF）电极上同样成立，并适用于雌二醇（E2）、褪黑素（Mel）等多种生物标志物。机理研究揭示，聚合物通过改变扩散系数、吸附电荷及氢键作用，差异化地影响不同分子的界面行为。相关论文以“Tuning Selectivity of Electrochemical Sensors With Polymer Coatings”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 | 概念示意图。 (a) 在裸电极上，两种生物标志物扩散至电极表面，并在相近电位下被氧化，产生重叠的伏安信号。(b) 聚合物涂层调节每种生物标志物的扩散和局部电子环境，从而实现选择性检测。

聚合物涂层调控氧化电位，实现信号分离

研究团队首先以玻碳电极（GCE）为模型，对比了裸电极与P4VP涂层电极的电化学响应。裸电极上，AA和5-HT的方波伏安（SWV）信号严重重叠：AA氧化峰位于0.08±0.01 V，而5-HT在0.30和0.39±0.01 V处出现特征双峰（归属于依次氧化为碳正离子和醌亚胺[35]），两者在0.2–0.4 V区间相互干扰（图2a）。当在500 µM AA背景下逐步加入5-HT（500–3000 nM），5-HT信号完全被AA的宽肩峰掩盖（图2b）。而引入P4VP涂层后，AA的氧化峰负移至–0.03±0.02 V，5-HT双峰则正移至0.31和0.49±0.01 V（图2c），峰值间距显著拉大。在相同混合体系中，随着5-HT浓度升高，其信号仍清晰可辨（图2d）。值得注意的是，AA电流从2.7 µA降至29 nA（降幅约两个数量级），而5-HT降幅约一个数量级（图2f），这种差异化的电流抑制与P4VP对两者扩散系数的不同影响一致。

图2 | 聚合物改变氧化峰电位。 (a) 裸GCE上300 µM AA或500 nM 5-HT的单组分SWV扫描叠加图。(b) 含500 µM AA及递增5-HT浓度（500–3000 nM）的混合液SWV扫描。(c,d) P4VP修饰电极上的相应SWV扫描。(e,f) 有无P4VP时AA和5-HT的峰电位与峰电流比较。

机理揭示：扩散受阻与氢键作用主导

为探究P4VP的作用机制，团队采用双电位阶跃计时库仑法（CC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。CC结果显示，P4VP涂层后AA的表观扩散系数从9.4×10⁻⁷降至6.08×10⁻⁸ cm²/s（降幅约15倍），而5-HT仅从2.9×10⁻⁵降至6.6×10⁻⁶ cm²/s（降幅约4.4倍）（图3d），这与电流抑制幅度的差异完全吻合。吸附电荷的变化更为关键：P4VP使AA的吸附电荷增加，却使5-HT的吸附电荷减少（图3e）——这种差异与氧化电位移动方向直接相关（增强吸附趋向于降低氧化电位，而吸附减少则使电位正移）。FTIR光谱证实，P4VP的吡啶氮与两种生物标志物均形成氢键（表现为O–H/N–H伸缩振动区展宽和红移，图3f–g），但氢键对电子密度的影响不同：对5-HT而言，氢键从吲哚单元拉走电子密度，使氧化更困难；对AA，氢键结合强吸附效应反而降低了表观氧化电位。

图3 | 机理研究。 (a) 裸GCE（虚线）和P4VP-GCE（实线）上200 µM 5-HT和2000 µM AA的计时库仑曲线。(b) AA的Anson图。(c) 5-HT的Anson图。(d) 推导出的扩散系数。(e) 推导出的吸附电荷。(f) P4VP、AA、混合物及理论自排序光谱的FTIR测量结果。(g) 5-HT的类似FTIR结果。

策略普适性：多种聚合物与生物标志物验证

该策略不仅限于P4VP和AA/5-HT。研究团队测试了聚(2-乙烯基吡啶)（P2VP）、聚苯乙烯（PS）和聚偏氟乙烯（PVDF）四种聚合物，以及雌二醇（E2）和褪黑素（Mel）。结果显示，吡啶类聚合物（P4VP、P2VP）对AA均产生显著负移（最低至–0.04 V），而对5-HT、E2和Mel均产生正移（图4a–d）。PS几乎不改变峰值电位，与其弱相互作用一致；PVDF则将AA峰值推向更高电位，推测与其疏水性阻碍亲水AA扩散有关。值得注意的是，单一聚合物描述符（如氢键碱性、极性、溶胀度、质子化状态）无法完全预测响应，但该策略的模块化特性使其可作为一种“工具箱”，通过组合不同聚合物实现多目标物差异化检测。

图4 | 峰值电位偏移。 (a) AA在PVDF、P2VP、P4VP、PS和裸GCE上的峰位。(b) 5-HT的相应结果。(c) E2的相应结果。(d) Mel的相应结果。

从刚性电极到可拉伸碳花电极：实际应用跨越

为实现可穿戴应用，团队将聚合物涂层与碳花（CF）电极结合。CF具有高比表面积和良好导电性，可通过喷涂法在柔性SEBS基底上制备（图5a–c）。在PVDF-CF电极上，AA（3–10 µM）和5-HT（50–500 nM）信号仍然严重重叠（图5e–f）；而P4VP-CF电极则重现了GCE上的选择性趋势：AA响应被抑制，5-HT、E2和Mel峰值正移，使AA与5-HT可在混合物中清晰区分（图5g–h）。尽管P4VP-CF的检测限（LOD）高于PVDF-CF（图5i），但两者均达到纳摩尔级灵敏度（AA为3–10 µM，5-HT/E2/Mel为50–500 nM），足以满足临床需求。更重要的是，在CF电极上测得的氧化电位与GCE结果高度一致（图5j），证明该策略不受基底形貌影响。此外，PVDF作为粘结剂时，CF电极对E2和Mel的区分度有所改善，进一步验证了聚合物在选择性调控中的核心作用。

图5 | 可拉伸碳花传感器。 (a) 单个CF的SEM图像。(b) 通过喷涂法制备CF传感器的示意图。(c) 柔性传感电极照片。(d) P4VP-CF电极的SEM图像。(e) PVDF-CF电极上AA、5-HT、E2和Mel的单组分伏安图叠加。(f) 相应混合物的伏安图。(g) P4VP-CF电极上四种组分的单组分伏安图叠加。(h) 相应混合物的伏安图。(i) PVDF-CF和P4VP-CF的检测限比较。(j) P4VP或PVDF在GCE和CF上的氧化电位。

总结与展望

本研究证实，中性聚合物涂层是一种简便、通用且高效的策略，可显著提升碳基电化学传感器的选择性。通过P4VP等聚合物，AA和5-HT等共存生物标志物的氧化电位得以分离，从而在复杂混合物中实现可靠检测。机理研究表明，聚合物通过调控扩散系数、吸附电荷和氢键网络，差异化地影响不同分子的界面行为。该策略已扩展至多种聚合物（P2VP、PS、PVDF）和生物标志物（E2、Mel），并在柔性碳花电极上成功验证，为可穿戴健康监测奠定了材料基础。未来，通过更可控的聚合物沉积工艺及结合数据驱动方法筛选聚合物官能团，有望构建多电极传感器阵列，实现复杂体液中多种目标物的同步精准检测，推动电化学传感器向个性化医疗和实时健康管理迈进。