基于聚磷杂烯改性InP电极的高性能电容传感器用于氢醌检测

《Advanced Sensor Research》：High-Performance Capacitive Sensor Based on Polyphosphazene-Modified InP Electrodes for Hydroquinone Detection

基于n型砷化镓电极和聚磷酸酰胺涂层的高灵敏水杨醇电容传感器研究，采用电化学沉积法制备PPP涂层，通过XPS、SEM和EDS表征证实其化学稳定性和均匀覆盖，在磷酸盐缓冲液（PBS）中检测到1-100 μm浓度范围内的线性响应（R2=0.975），检测限0.73 μm，对结构类似物（苯酚、邻苯二酚）具有高选择性。

　　本研究提出了一种高性能的电容式传感器，用于检测水中的氢醌（HQ）。该传感器基于n型磷化铟（n-InP）电极，并在其表面电化学沉积了一层聚磷氮（polyphosphazene，PPP）薄膜。这种结合半导体材料与聚合物的创新设计，为化学传感提供了一种全新的思路。通过X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对PPP薄膜进行了系统表征，确认了其在InP电极表面形成均匀且化学稳定的界面。这一界面不仅提升了电极的电化学性能，还为后续的传感应用奠定了坚实基础。

电容-电压（C–V）测量结果显示，该传感器在磷酸盐缓冲液（PBS）中对HQ的检测范围为1至100微摩尔（μM），检测限（LOD）为0.73 μM（n = 3），表现出极高的灵敏度。此外，该传感器在结构上相似的酚类物质如邻苯二酚（catechol）和苯酚（phenol）存在时，仍能保持高选择性，说明其在复杂环境中具备良好的抗干扰能力。这一特性使得InP/PPP电容式传感器在环境监测和分析化学领域展现出广阔的应用前景。

氢醌作为一种广泛应用于化妆品、制药和摄影工业的化合物，其在水环境中的大量释放引发了严重的环境与健康问题。氢醌具有毒性、致突变性和致癌性，因此对其在水体中的准确检测至关重要。然而，传统检测方法如高效液相色谱（HPLC）和紫外-可见分光光度法（UV–vis spectrophotometry）虽然能够提供高精度的检测结果，但存在成本高、操作复杂、需要专业人员以及不便于现场检测等局限性。这使得开发一种低成本、高效且适用于现场应用的传感技术成为迫切需求。

近年来，电化学传感器因其高灵敏度、高选择性和快速响应能力，逐渐成为一种替代传统分析方法的有力工具。目前，许多研究尝试使用碳纳米材料、金属氧化物、导电聚合物和贵金属纳米颗粒等材料构建HQ传感器。尽管这些系统在灵敏度方面表现良好，但它们往往面临长期稳定性差、重复性不足或制备过程复杂等问题。因此，寻找一种既能保持优异电化学性能，又能克服这些挑战的新型传感材料，成为研究的重点。

本研究中采用的n-InP电极具有直接带隙、高电子迁移率和良好的表面化学特性，使其成为构建高性能电化学传感器的理想选择。而PPP作为一种多功能聚合物，具有灵活的化学结构、优异的热稳定性和可调控的表面化学特性，能够有效增强电极的电容响应和选择性。将PPP与n-InP电极结合，不仅提升了传感器的性能，还为构建其他类型的半导体/聚合物复合电容式传感器提供了通用的策略。

在实验过程中，PPP薄膜的沉积采用了电化学方法，并在液氨中进行光辅助阳极处理。这一过程使得PPP能够在InP表面形成一层均匀的纳米级涂层，从而实现有效的界面钝化。XPS分析表明，PPP薄膜在InP表面引入了新的化学成分，如氮和磷的结合态，进一步验证了其化学稳定性和均匀性。SEM和EDS的结果则显示，PPP薄膜在InP表面覆盖良好，能够有效屏蔽或吸收原InP表面的特征信号，表明其在界面处的高覆盖率和良好的化学结合能力。

通过C–V测试，研究人员进一步研究了InP/PPP电极在PBS中的电容响应行为。结果表明，PPP的引入显著提高了电极的电容值，说明其对电容行为的调节作用。这一现象可归因于PPP薄膜对界面电荷转移效率的增强以及其对电容响应的调控能力。具体而言，当HQ分子在电极表面吸附并发生氧化反应时，会显著改变界面电容，从而实现其检测。在电位扫描过程中，随着电位逐渐向负方向移动，电极表面由耗尽态转变为积累态，此时氧化产物苯醌（BQ）会被还原为HQ，从而完成一个完整的氧化还原循环。

该传感器的检测机制基于界面电荷转移的动态变化。在耗尽态下，InP电极表面缺乏自由电子，导致HQ分子在电极表面发生氧化反应，形成BQ。这一过程会减少电极一侧的正电荷，从而导致整体电容下降。而在积累态下，电极表面积累了大量电子，这些电子能够将BQ还原为HQ，恢复原有的化学平衡。这种双向的电容响应机制使得传感器能够对HQ的浓度变化做出准确的定量分析。实验结果表明，随着HQ浓度的增加，电容值呈现显著的下降趋势，尤其在积累态区域更为明显。这种线性关系为传感器的定量检测提供了理论依据。

在实际检测中，传感器表现出优异的线性响应和良好的重复性。其检测限（LOD）为0.73 μM，这在现有HQ检测技术中处于较低水平，显示出其较高的灵敏度。相比之下，文献中报道的其他HQ传感器，如基于多壁碳纳米管（MWCNT）的传感器，其检测限通常在18 μM以上；而基于聚（3-噻吩乙醇酸）的传感器，其检测限为7.81 μM，均远高于本研究中的结果。这表明，InP/PPP电容式传感器在灵敏度方面具有明显优势。

除了高灵敏度，该传感器还表现出极高的选择性。在选择性测试中，研究人员将邻苯二酚（CC）和苯酚（Phe）作为潜在干扰物进行检测。结果表明，即使在较高浓度下，这些干扰物对电容值的影响也相对较小，几乎保持不变，而HQ则引发了显著的电容变化。这说明，InP/PPP界面能够有效区分HQ与其他结构相似的酚类物质，从而确保检测结果的准确性。这种选择性不仅来源于PPP的化学结构，还与InP的电子特性密切相关，使得传感器能够在复杂环境中保持稳定的检测性能。

此外，该传感器的制备过程相对简便，且具备良好的可扩展性。通过电化学沉积和光辅助处理，可以在短时间内形成均匀且稳定的PPP薄膜，避免了传统方法中复杂的物理沉积或化学修饰步骤。这种工艺不仅降低了制备成本，还提高了传感器的重复性和可操作性，使其更适用于实际环境中的快速检测需求。

本研究的成果不仅为氢醌的检测提供了新的技术路径，也为构建其他类型的半导体/聚合物复合电容式传感器提供了理论支持和实验基础。由于PPP具有广泛的化学可调性，其与不同半导体材料的结合可能拓展至其他污染物的检测，如重金属离子、有机污染物和生物分子等。这种通用性使得InP/PPP传感器具有更高的应用潜力，有望在环境监测、食品安全和生物医学诊断等领域发挥重要作用。

从实验数据来看，InP/PPP传感器在多个方面表现出色。其线性检测范围较宽，能够覆盖从低浓度到较高浓度的HQ检测需求；同时，其检测限较低，具备较高的灵敏度；在选择性方面，表现出对结构相似化合物的显著抗干扰能力。这些特性使得该传感器不仅适用于实验室研究，也具备在实际环境中部署的潜力。

为了进一步验证其在复杂样品中的性能，研究人员计划在未来的工作中将该传感器应用于真实环境样本，如自然水体、饮用水、河流水以及生物液体。这将有助于评估其在实际环境中的适用性，并探索其在食品安全和生物医学检测中的应用价值。此外，该研究还强调了传感器在环境监测中的重要性，特别是在应对水体污染和化学物质泄漏等现实问题方面。

综上所述，本研究开发了一种基于n-InP和PPP的新型电容式传感器，其在灵敏度、选择性和稳定性方面均表现出色。该传感器的构建不仅为氢醌的检测提供了一种高效、低成本且可操作的技术手段，还为其他环境污染物的检测提供了新的思路和方法。随着环境问题的日益严重，对高效、准确的检测技术的需求不断增长，而这种新型电容式传感器的出现，无疑为环境监测和分析化学领域带来了新的希望和可能性。