垂直有机电化学晶体管耦合聚苯胺电极增强汗液pH检测性能研究

【编辑推荐】针对传统有机电化学晶体管(OECT)pH传感器跨导gm 和稳定性不足的问题，研究人员开发了基于垂直结构OECT(vOECT)与聚苯胺(PANI)电极的新型传感器。通过优化PANI电极面积(6×6 mm2 )，实现了3.22 mA/pH的超高电流灵敏度（较现有技术提升35倍）和<5%的相对误差，为可穿戴医疗设备提供了精准汗液pH监测方案。

　　

汗液作为人体重要的生物标志物，其pH值变化（正常范围4.5-6.8）能反映代谢性酸中毒、肾功能异常等疾病状态。传统离子选择性电极(ISE)易受Na⁺
/K⁺
干扰，而有机电化学晶体管(OECT)虽具备高跨导(g_m

)优势，却受限于水平结构的信号衰减问题。针对这一技术瓶颈，中国研究人员在《Microchemical Journal》发表论文，通过垂直结构OECT(vOECT)与聚苯胺(PANI)电极的协同创新，实现了汗液pH检测技术的突破性进展。

研究团队采用电化学阻抗谱(EIS)、开路电位(OCP)和转移曲线分析等关键技术，系统评估了PANI电极的质子化/去质子化动力学特性。通过优化电极面积与vOECT的高跨导特性(g_m

=48 mS)结合，解决了传统延伸栅结构阻抗高、响应慢的缺陷。

Reagents
研究选用PEDOT:PSS(Clevios pH 1000)作为沟道材料，通过电化学聚合法在Au基底制备PANI敏感层，采用磷酸盐缓冲液(PBS)配制pH 4-8测试溶液。

Principle of the vOECT-based pH sensor
如图1a所示，vOECT采用垂直堆叠结构：顶部PANI栅电极通过H⁺
响应产生电位变化，中间PEDOT:PSS沟道(100×100×0.1 μm)实现信号放大，底部Au源漏电极完成电流输出。PANI的质子化状态改变其电荷转移电阻(R_ct

)，经EIS证实该过程符合准可逆反应机制。

Conclusion
研究获得三项核心成果：(1) OCP测试显示PANI电极具有-55.93 mV/pH的近能斯特响应；(2) 6×6 mm²
PANI电极使vOECT达到3.22 mA/pH电流灵敏度，较文献最高值(91 μA/pH)提升35倍；(3) 人工汗液测试相对误差<5%，媲美商用pH计。该技术通过垂直集成解决了传统OECT的空间限制，为可穿戴医疗设备开发提供了重要技术支撑。

讨论
该研究创新性地将vOECT的高跨导特性与PANI的pH敏感性结合，突破性地将灵敏度提升至毫安级。相比Scheiblin等报道的9.5 μA/pH和Nicolò团队的48.5 μA/pH，本工作灵敏度提高三个数量级。PANI电极的图案化设计显著降低界面阻抗，使响应速度优于延伸栅结构。未来通过集成微流控技术，该传感器有望实现多参数汗液实时监测，推动个性化医疗发展。