文章导读

自新型冠状病毒 (COVID-19) 被发现以来，全球范围内的公共设施、交通工具、医院、污水处理设施以及日常生活中的消毒措施得到了加强。其中，H2O2的蒸汽化作为一种改进的消毒方法，因其无色无味且能够快速全面扩散至各个表面而受到重视。然而，H2O2的强氧化性可能导致皮肤、眼睛和黏膜受到腐蚀和刺激，且随着H2O2消耗量的剧增，这些效应也会加剧。此外，H2O2在体内可分解产生氢氧自由基 (•OH) 等，这些自由基可能导致细胞损伤和病变，引发呼吸道和炎症疾病，甚至某些癌症。因此，开发一种简单、高效的传感技术，用于实时检测H2O2蒸汽 (HPV)，具有重要的实际意义。本篇由犹他大学终身教授臧泠与江西科技师范大学陈帅教授团队撰写并发表于 Chemosensors 期刊的文章，提出了一种基于导电聚合物PEDOT:PSS/PEDOT复合薄膜的化敏电阻传感器，利用其在常温下对H2O2蒸气的敏感响应，实现了简单、实时、灵敏的HPV检测。

研究过程和结果

实验材料与方法

本研究先采用溶液均匀旋涂的方式在ITO玻璃表面沉积聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS) 作为导电薄膜基底，后通过原位电化学聚合的方法在其表面沉积疏水性和多孔性的PEDOT层，并通过调整电荷量来控制PEDOT层的厚度，最终制备出全有机PEDOT:PSS/PEDOT复合薄膜。传感研究采用双室测试系统：一室用于产生HPV (由不同浓度的H2O2水溶液产生不同饱和蒸气压)；另一室在底部固定复合薄膜并用于气敏传感监测HPV浓度的变化 (实时监测温湿度，传感器薄膜在测试室底部，测试装置置于通风橱中且在非光照环境下进行，用数字万用表记录化学电阻信号响应。如图1b所示)。

图1. (a) PEDOT:PSS分子结构；(b) HPV检测系统示意图。

实验结果与分析

PEDOT:PSS薄膜对HPV浓度变化有明显的响应。在不同浓度的HPV (10.5 ppm、4.0 ppm、1.9 ppm、1.0 ppm) 暴露下，PEDOT:PSS薄膜的电阻随时间逐渐增大，在维持峰值电阻一段时间后逐渐下降。不同浓度的HPV对薄膜的化敏响应有明显的影响 (图2)。此外，由于HPV是由H2O2水溶液的自然挥发产生的，其存在导致测试空间的相对湿度能够从原始的25%逐渐增加到100% RH。因此，气敏薄膜的性能衡量必须能够在具有固有湿度的检测环境中发挥作用。

图2. (a) 不同浓度HPV及 (b) 环境相对湿度 (30%—100% RH) 下，PEDOT:PSS薄膜的阻力-时间曲线，以及PEDOT:PSS薄膜的信号反应- HPV浓度拟合曲线：(c) R=第一个抗性峰；(d) R=最高抗性峰。

为了进一步探索和评估HPV中的湿气组分对薄膜传感的影响，本研究测试了膜的水接触角，以评估湿度或吸附凝结水在长时间测试期间在它们表面上的润湿性。结果显示，随着PEDOT层的增加，复合薄膜对相对湿度的响应减弱，尤其是PEDOT:PSS/PEDOT (30 mC) 薄膜。当湿度持续增加到100% RH时，其电阻变化小于±10 Ω，显示出抗湿度干扰能力的改善。

PEDOT:PSS/PEDOT (30 mC) 薄膜对不同浓度的HPV显示出快速的响应，并且随着HPV浓度的增加，响应速度加快。与PEDOT:PSS薄膜相比，复合薄膜在相同HPV浓度下达到第一个峰值的时间更短，电阻响应也更强 (图3)。这些结果可能归因于复合薄膜中PEDOT层的多孔结构，不仅有利于HPV的快速扩散，还因其较大的比表面积而具有更强的对分析物吸附能力。

图3. 不同浓度HPV暴露前后PEDOT:PSS膜的 (a) 拉曼光谱、(b) FT-IR光谱、(c) UV-Vis吸收光谱。

文章总结

本研究通过定量电化学沉积方法制备了PEDOT:PSS/PEDOT薄膜，并成功应用于HPV的化敏电阻传感；重点探讨了共存湿度的干扰程度以及PEDOT层的疏水性和多孔结构对薄膜传感器对不同浓度HPV的电阻响应行为的影响；通过SEM、水接触角以及拉曼光谱、FT-IR和UV-Vis吸收光谱研究了其结构和形态的变化以及对HPV检测机制；通过与PEDOT:PSS和PEDOT薄膜的比较研究，验证了复合薄膜传感器在HPV检测中的结构稳定性和性能可靠性。未来，可进一步优化复合材料体系，或引入多模式检测理念，以期为开发实时、便携式和微型化的HPV薄膜传感器，并有望推广到对更多具有化学活性的气相分析物的检测。

原文信息

Xie, X.; Gao, N.; Zhu, L.; Hunter, M.; Chen, S.; Zang, L. PEDOT:PSS/PEDOT Film Chemiresistive Sensors for Hydrogen Peroxide Vapor Detection under Ambient Conditions. Chemosensors 2023, 11, 124. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020124

Chemosensors 期刊介绍

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

• 2024 Impact Factor: 3.7
• 2024 CiteScore: 7.3