基于分子设计的苯胺类给体-受体导电聚合物增强离子相互作用的高性能可穿戴生物电子器件研究

这篇研究通过密度泛函理论(DFT)辅助设计，创新性地构建了苯胺类给体-受体(D-A)型导电聚合物(CPs)，显著提升了聚苯胺(PANI)基pH传感器的性能。研究合成的D-A型聚(苯胺-co-邻甲氧基苯胺)(P(ANI-co-MOANI))展现出65.193 mV pH-1的高灵敏度、98.7%的可逆性和93.2%的重复性，并成功应用于实时汗液pH监测，为开发高性能有机生物电子器件提供了新思路。

　　

分子设计与性能优化
研究团队采用密度泛函理论(DFT)计算指导分子设计，以苯胺作为受体单元，邻位取代苯胺衍生物作为给体单元，构建了新型给体-受体(D-A)型导电聚合物。理论计算显示，D-A型聚(苯胺-co-邻甲氧基苯胺)(P(ANI-co-MOANI))具有更低的带隙(-4.534 eV)和更高的HOMO能级，静电势(ESP)分析证实其C=N基团具有更强的负电荷分布(0.0585)，显著提升了与H⁺的相互作用能力。

材料表征与性能验证
通过电聚合法成功合成了P(ANI-co-MOANI)，拉曼光谱证实了C-O-C键(1078 cm^-1)和C=N键(1590 cm^-1)的特征峰。XRD显示其衍射峰红移至24.5°，表明D-A相互作用增强了分子链的有序性。SEM观察到P(ANI-co-MOANI)呈现均匀纳米颗粒堆积形貌，EDS证实了C、N、O元素的均匀分布。

pH传感性能突破
电化学测试表明，P(ANI-co-MOANI)在pH 4-10范围内表现出卓越性能：灵敏度达65.193 mV pH^-1，较传统PANI提升1.4倍；在pH循环测试中保持98.7%信号可逆性；24小时稳定性测试显示漂移率仅0.15 mV h^-1(pH=10)。紫外可见光谱证实其质子化过程中极化子带(440 nm)增强和醌式结构(500-1000 nm)红移，带隙从2.18 eV(pH=10)降至1.86 eV(pH=4)。

作用机制解析
局域化轨道定位器(LOL)分析揭示了分子作用机制：甲氧基的孤对电子向苯环流动，增强了π-π*堆积；而氟原子则表现出吸电子效应。这种D-A效应通过调节苯环电子密度，显著提升了C=N基团对H⁺的结合能力，同时保持了PANI的分子骨架特性。

可穿戴应用示范
研究进一步开发了基于P(ANI-co-MOANI)的柔性pH传感器，采用激光诱导石墨烯(LIG)技术制备电极，集成蓝牙传输模块。在实际汗液监测中，该传感器成功捕捉到运动过程中pH值从5.8降至5.2的动态变化，与商用pH计测量结果(5.28 vs 5.20)高度一致，50次循环后仍保持91.1%的初始信号强度。

这项研究通过分子工程策略，首次实现了对苯胺类导电聚合物表面静电势的精确调控，为开发高性能有机生物电子器件开辟了新途径，在疾病监测、个性化医疗等领域具有重要应用前景。