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方法文章

通过有机电化学晶体管中的协同能斯特电位效应实现超低浓度过氧化氢检测

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DOI：

10.3791/70467

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2026年3月31日

 ,  ,  ,  ,  , 
1College of Integrated Circuits, Taiyuan University of Technology

本文内容

摘要

本文介绍了一种基于协同能斯特效应的超低浓度过氧化氢检测方案。该方案涵盖了叠层结构聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：溴百里酚蓝（PEDOT: BTB）/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT: PSS）以及铂微电极（Pt）的制备过程，并确定了所构建的 H2O2 传感器的最佳工作点。

摘要

基于有机电化学晶体管（OECT）的协同能斯特电位——通过铂栅极电极催化过氧化氢（H2O2）以及溴百里酚蓝（BTB）分子与氢离子（H2O2催化反应的副产物）之间的相互作用产生——被用于实现对H2O2的超低浓度检测，检测限低至1.8 × 10-12 M，并具有从10-11 M到10-3 M的宽线性检测范围。该电位的形成通过选择−0.6 V的源漏电压（VDS）和栅极电压（VG）作为最佳工作点，并采用堆叠层结构的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):溴百里酚蓝/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:BTB/PEDOT:PSS）作为半导体沟道材料来实现。此外，通过紫外-可见光谱表征堆叠层的载流子（去）掺杂能力，通过电化学测量确定最佳工作点，并采用单级恒压扫描评估所构建的基于OECT的H2O2传感器的传感性能，从而提供相关验证。最后，该基于OECT的H2O2传感器通过微纳制造工艺制备而成，包括通过旋涂法制备堆叠半导体层，以及通过剥离工艺和磁控溅射技术制备微电极。该方法可为通过酶催化反应实现分析物的超低浓度检测开辟广阔途径。

引言

过氧化氢（H2O2）是多种酶催化生化反应的普遍副产物，包括乳酸氧化酶、谷氨酸氧化酶和葡萄糖氧化酶介导的反应1。由于其广泛存在于多种生理和病理过程中2,3,4，过氧化氢成为理解人类健康与疾病状态的关键生物分子。因此，对极低浓度的H2O2进行准确检测，对于精确了解机体状况至关重要，这也促使研究人员高度关注开发具有低检测限（LOD）的高灵敏度检测方法。

传统的H2O2检测方法5,6，如光谱法、色谱法和化学发光法，虽为定量分析奠定了基础，但存在固有的局限性，限制了其广泛应用。这些技术通常依赖体积庞大且昂贵的仪器，并需要专业的操作技能，因此难以适用于现场、便携或即时检测场景。因此，迫切需要开发兼具高灵敏度、小型化、低成本和操作简便的新型检测技术。

随着微纳技术的发展，有机电化学晶体管（OECTs）因其固有的优势，如微型化、低工作电压、优异的信号放大能力以及良好的生物相容性，已成为生物传感应用中极具前景的平台7,8,9。基于OECT的传感器在过氧化氢（H2O2）检测方面得到了越来越多的研究，主要集中在将H2O2敏感材料修饰于微电极上以提高检测灵敏度。例如，Cicoira等人10构建了一种基于OECT的H2O2传感器，当采用Pt作为源极、漏极和栅极材料时，其线性检测范围为5 μM至103 μM，检测限（LOD）低至5 μM。Guo等人11在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底和transwell支撑结构上制备了OECT，该器件采用丝网印刷碳糊电极并修饰碳纳米管和Pt纳米颗粒作为栅极，以PEDOT:PSS作为沟道材料，对H2O2的线性检测范围为0.5–100 μM，检测限为0.2 μM。Qi等人12报道了一种基于给体-受体（D-A）型双极性单组分有机混合离子-电子导体（OMIEC）聚合物的OECT，其对H2O2的线性检测范围为0.001–100 μM，检测限达1 nM。上述H2O2传感器实现低检测限主要依赖于Pt基栅电极催化H2O2所产生的Nernst电位，该电位可调控沟道层的电化学（去）掺杂状态，从而利用OECT优异的信号放大能力。因此，该领域的前期研究为后续进一步优化奠定了坚实的理论与实验基础。

本研究的核心目标是通过进一步利用能斯特电位（Nernst potential）——电化学传感器性能的关键机制之一，开发一种高度可控且灵敏的基于有机场效应晶体管（OECT）的 H2O2 传感器。为实现这一目标，我们提出了一种协同的能斯特电位机制13，该机制依赖于一个涉及两个关键组分的级联反应：基于铂的栅极电极可对 H2O2 进行电催化，而堆叠的半导体沟道层（PEDOT:BTB/PEDOT:PSS）则与 H2O2 催化过程中作为副产物生成的氢离子发生相互作用。该设计基于已有研究：溴百里酚蓝（bromothymol blue, BTB）是一种广泛用于弱酸弱碱检测的化学指示剂14，先前研究已成功将其与 PEDOT 结合（即 PEDOT:BTB），应用于 OECT 的栅极或沟道层中实现 pH 检测，从而验证了本方法所依赖的级联反应的可行性。

与基于OECT的其他H₂O₂检测方法相比，我们提出的协同能斯特电位策略具有显著优势。不同于传统设计仅依赖铂基栅极电极的催化活性来产生能斯特电位，我们的方法通过将该催化过程与堆叠沟道层的pH响应特性相耦合，提高了系统的可控性。这种协同效应不仅提升了传感器的灵敏度，还增强了其稳定性和可调性，从而解决了现有OECT传感器的关键局限性。此外，该技术符合OECT生物传感领域的发展趋势，即通过整合功能材料与创新反应机制，不断突破检测性能的边界。

在更广泛的电化学检测文献背景下15,16,17,18,19,20,21，有机电化学晶体管（OECT）因其能够放大微弱的电化学信号，已成为便携式生物传感的核心技术，特别适用于低浓度分析物的检测。本研究在此基础上进一步优化了由能斯特电位驱动的机制，为提升OECT在H2O2检测中的性能提供了新的视角。对于考虑该方法适用性的读者而言，本设计尤其适用于需要高灵敏度、便携性和可控性的场景，例如在传统方法难以实施的即时诊断、体外监测以及现场环境或生物样本分析。通过阐明本方法的概念框架及其优势，本引言为读者提供了必要的背景信息，以评估该技术是否符合其特定应用需求。

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方案

1. 叠层 PEDOT:BTB/PEDOT:PSS 半导体薄膜的制备与表征

  1. 样品制备
    注意：制备单层PEDOT:PSS时，请执行步骤1.1.1；制备叠层PEDOT:BTB/PEDOT:PSS时，请执行步骤1.1.2。
    1. 通过旋涂法制备单层 PEDOT:PSS。
      1. 使用0.45 μm滤膜过滤商用PEDOT:PSS溶液 μm 滤膜（聚醚砜，PES）。
      2. 取884 μL的过滤PEDOT:PSS，1 μ0.1 wt% 十二烷基苯磺酸（DBSA）溶液 50 L μ5 wt% 乙二醇（EG）的 L，以及 5 μ0.5 wt% 的 3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GOPS）溶液，充分混合形成混合溶液（即 PEDOT:PSS 前驱体）。
      3. 使用磁力搅拌器将PEDOT:PSS前驱体搅拌过夜，然后超声处理5分钟
      4. 使用匀胶机以4200 rpm的转速和200 rpm/s的加速度旋涂PEDOT:PSS半导体薄膜，使其连接源极和漏极电极。-1，以及60秒的维持时间。
      5. 将薄膜在130 °C下烘烤 ℃ 在烘箱中加热15分钟后，用移液器加入10 μL 的浓硫酸（H2SO₄) 到薄膜上以去除多余的 PSS。
      6. 用去离子水冲洗薄膜，然后在130 °C下烘烤 ℃ 10分钟
    2. 通过电沉积制备多层结构的PEDOT:BTB/PEDOT:PSS。
      1. 配制含有42 μ10 mM 3,4-乙二氧基噻吩（EDOT）溶液 L，0.02496 g 溴酚蓝（BTB），40 mL 1 mM 磷酸盐缓冲液（PBS），以及 0.4044 g 硝酸钾（KNO₃）3）。混合并振荡10分钟，直至得到红色溶液。
      2. 采用双恒电位电化学工作站的循环伏安法（CV），将PEDOT:BTB电沉积到旋涂的PEDOT:PSS层上。将源极（S）和漏极（D）电极短接作为工作电极，以饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，混合水溶液为电解质。
      3. 在工作电极上施加0至1 V的电势，扫描速率为0.1 V/s⋅s-1 进行15个循环。
      4. 用去离子水清洗电沉积的通道，然后在室温下干燥。
  2. 扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、紫外-可见（UV-vis）光谱和电化学表征。
    1. 使用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对薄膜进行形貌表征。
      1. 分别使用旋涂仪在金片上沉积单层和叠层薄膜，旋涂转速为4200 rpm，加速度为200 rpm/s-1，以及60秒的维持时间。
      2. 在二次电子模式下，分别以1 kV和3 kV的加速电压操作扫描电子显微镜，观察所制备的叠层薄膜的表面形貌和截面形貌。
      3. 使用40,000倍高倍率测量单层薄膜（厚度低于115 nm） ×. 使用10,000倍高倍率测量多层薄膜（总厚度361 nm） × 和 40,000 × 阐明叠层薄膜在金片上的电沉积过程。
      4. 采用原子力显微镜的轻敲模式观察单层膜与叠层膜的表面粗糙度变化。
      5. 将原子力显微镜（AFM）扫描范围设置为 5 μm × 5 μm. 记录三维形貌并计算均方根粗糙度。
    2. 使用紫外-可见光谱法表征叠层结构的光电化学特性。设置波长范围为200 nm至800 nm，光学分辨率为0.73 nm，狭缝宽度为10 μ米，积分时间为11毫秒，温度控制为20–30 °C.
      1. 以 200 rpm/s 的加速度，在 4200 rpm 的转速下旋涂 60 秒，将多层薄膜旋涂至氧化铟锡（ITO）上-1.
      2. 选择 pH 3 至 pH 9 范围内、以两个数量级为间隔的 pH 缓冲溶液作为分光光度计池中的电解质，并将修饰后的 ITO 电极置于分光光度计池中，使其与光路对齐。
      3. 使用微注射泵将不同 pH 值的电解质溶液依次加入分光光度计池中，每次 2 mL，并进行移除。
      4. 测量并获取叠层PEDOT:BTB/PEDOT:PSS在各pH溶液中的吸收光谱。
      5. 将一根铂丝放入分光光度计样品池中，并将双恒电位电化学工作站的工作电极（WE）连接至该铂丝。施加 +0.6 V 和 -0.6 V 的电压。将双恒电位电化学工作站的对电极（CE）连接至修饰后的 ITO 电极。
      6. 配制 H2O2 溶液（10-11–10-3 M）在 0.1× 电导率为 34.39 的 PBS ± 0.73 mS·厘米-1将修饰后的ITO电极放入分光光度计样品池中。
      7. 使用微注射泵依次加入和移除含有不同 H 浓度的 2 mL 电解质溶液2O2 将浓度样品加入分光光度计比色皿中。
      8. 测量并获取不同H浓度下叠层PEDOT:BTB/PEDOT:PSS的吸收光谱2O2 溶液
    3. 采用电化学测量法确定栅极工作点。
      1. 在20 mL的H2O2 不同浓度的溶液（配制于 0.1× PBS，浓度范围从10-3 至10-11 M，间隔两个数量级）且电导率相同，为34.39 ± 0.73 mS cm-1.
      2. 使用铂丝作为工作电极，以修饰在金片上的单层膜作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，以及H2O2 不同浓度的溶液作为电解质。
      3. 在工作电极上施加-1至1 V的电势，扫描速率为0.1 V/s⋅s-1.
      4. 测量电解质电压（VE) 在 0.1 × 不含 H 的 PBS（相当于 1 mM PBS）2O2.
      5. 将另一根Ag/AgCl电极引入原始OECT系统（包括源极、漏极、Ag/AgCl门电极以及叠层结构的PEDOT:BTB/PEDOT:PSS半导体薄膜），并将新增的Ag/AgCl电极与原始OECT系统中的源极进行电学短接。
      6. 将示波器连接至额外的 Ag/AgCl 电极，设置测量时长为 2 s、频率为 10 kHz，并进行测量 VE.
      7. 测量扫描光谱 VE 在 0.1 × 不同浓度 H 的 PBS2O2 浓度（范围从 10-11 至10-3 M，间隔两个数量级）且电导率相同，为34.39 ± 0.73 mS cm-1 在……之下 VG 的 ±-0.6 V 和 V源-漏电压 分别为 -0.6 V。
      8. 获取扫描光谱的中间值，并将其用作准等效值 VE.

2. 基于传统剥离微加工工艺的 H2O2 传感器制备

  1. 在三维（3D）硅基底上生长一层500 nm厚的SiO2绝缘层（即三维二氧化硅层），然后依次用丙酮、酒精和去离子水各进行5分钟的超声处理。在氮气下干燥1分钟。
  2. 使用旋涂仪在二氧化硅层上旋涂一层负性光刻胶ROL-7133（步骤1：转速500 rpm，时间25 s，加速度100 rpm/s；步骤2：转速3,000 rpm，时间54 s，加速度200 rpm/s；步骤3：转速4,000 rpm，时间6 s，加速度1,000 rpm/s）。
  3. 用PET胶带将涂有光刻胶的二氧化硅基底固定在掩模上，然后置于恒温110 ℃的加热平台上90秒。
  4. 将光掩模平整地放置在光刻机的光刻区域，并在以下条件下进行光刻图形化：光电压0.65 V，时间6.5 s。
  5. 将完成光刻图形化的二氧化硅基底放入AZ-400K显影液（原液：水 = 1:4）中显影60秒。取出后用去离子水彻底清洗，再用氮气吹干。
  6. 使用磁控溅射仪在二氧化硅基底表面依次溅射20 nm厚的Ti层和100 nm厚的Au层（功率50 W，时间600 s）。
  7. 将基底浸入丙酮中10分钟，然后洗去多余的光刻胶。
  8. 用去离子水冲洗制备好的微电极芯片1分钟，再用氮气吹干1分钟。
  9. 在光掩模中设计沟道几何宽长比为15:1，并设置4 μm的短沟道。
  10. 使用紫外激光切割机将PET胶带（长度1.2 mm，宽度0.6 mm）切割成窗口形状，用于对准栅极电极的位置。
  11. 使用磁控溅射仪在栅极电极表面依次溅射100 nm厚的Pt层（功率50 W，时间500 s）。
  12. 使用紫外激光切割机将PET胶带（长度60 μm，宽度15 μm）切割成窗口形状，用于对准沟道的位置。
  13. 按照步骤1.1.1和1.1.2的方法旋涂沟道。

3. 基于堆叠PEDOT:BTB/PEDOT:PSS半导体层的有机电化学晶体管H2O2传感器的传感性能

注意：在 +0.6 V 的固定栅极电压下测量基于 OECT 的 H2O2 传感器时，请执行步骤 3.1；在 -0.6 V 的固定栅极电压下测量时，请执行步骤 3.2。

  1. 在固定栅极电压为 +0.6 V 的条件下，测量不同 H2O2 浓度下的输出电流（IDS）变化。
    1. 将不同浓度的 20 μL H2O2 溶液（用 0.1× PBS 配制，浓度范围为 10-3 M 至 10-11 M，以两个数量级为间隔），且电导率均控制在 34.39 ± 0.73 mS cm-1，依次滴加至沟道表面。
    2. 将 H2O2 传感器的源极、漏极和栅极电极分别连接至双通道源表。
    3. 施加 -0.6 V 的 VDS 和 +0.6 V 的 VG，在单级恒压模式下，测量时间为 40–150 s 以获取准相对平衡态输出电流 IDS，测量持续时间为 10 s。
    4. 在测量下一个 H2O2 溶液前，用去离子水冲洗沟道表面。
    5. 获取稳态下的 IDS 值。
  2. 在固定栅极电压为 -0.6 V 的条件下，测量不同 H2O2 浓度下的 IDS 变化。
    1. 将不同浓度的 20 μL H2O2 溶液（用 0.1× PBS 配制，浓度范围为 10-3 M 至 10-11 M，以两个数量级为间隔），且电导率均控制在 34.39 ± 0.73 mS cm-1，依次滴加至沟道表面。
    2. 将 H2O2 传感器的源极、漏极和栅极电极分别连接至双通道源表。
    3. 施加 -0.6 V 的 VDS 和 -0.6 V 的 VG，在单级恒压模式下，测量时间为 40–150 s 以获取准相对平衡态输出 IDS，测量持续时间为 10 s。
    4. 在测量下一个 H2O2 溶液前，用去离子水冲洗沟道表面。
    5. 获取稳态下的 IDS 值。

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结果

本文首先利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、紫外-可见光谱（UV-vis）和电化学测量对叠层结构的PEDOT:BTB/PEDOT:PSS沟道材料进行了表征。图1和图2中的SEM与AFM图像显示，241 nm厚的叠层结构PEDOT:BTB/PEDOT:PSS呈现出丰富的颗粒状结构，而120 nm厚的单层PEDOT:PSS薄膜表面则相对平整。单层薄膜的均方根粗糙度（Rq）为3.02 nm，叠层薄膜为22.1 nm，二者差异显著，证实了叠层薄膜成功电沉积在金基底上。

在电解质/沟道层界面处对电化学和光电化学性质的研究表明，-0.6 V 的固定栅极电压是叠层 PEDOT:BTB/PEDOT:PSS 沟道的最佳工作点 （图 3 和图 4）。此外，在不同固定栅极电压下并采用不同沟道层对基于 OECT 的 H2O2 传感器进行了表征。结果明确显示，在...

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讨论

该方案的成功依赖于三个相互关联的关键步骤，每一步均通过实验表征得到验证。首先，堆叠层通道材料的制备 (方案 1.1) 需要精确控制 PEDOT:PSS 的旋涂过程（4200 rpm 旋涂 60 秒，随后在 130 °C 下烘烤）以及 PEDOT:BTB 的电沉积过程（其中短路的 PEDOT:PSS 通道作为工作电极，在 0 至 1 V 的电位范围内以 0.1 V s⁻1 的扫描速率进行 15 个循环）。值得注意的是，颗粒尺寸和层厚的尺寸偏差（±10 nm）会显著影响 BTB 与 H⁺ 分子之间的相互作用，这一点已通过 SEM/AFM 表征得到证实 (方案 1.2.1，图 1 和 图 2)。因此，电沉积形成的上层 PEDOT:BTB（241 nm）应均匀覆盖在 PEDOT:PSS 通道材料（120 nm）之上，以确保可重复的协同能斯特电位的产生 (补...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52175542 和 52203316）、山西省科技合作交流专项项目（No. 202304041101032）、山西省引进海外高层次人才资助项目（20240007）、山西留学人员管理委员会科研项目（No. 2024062）、山西省专利转化专项项目（No. 202304012）、中国博士后科学基金（No. 2024M762331）、山西省自然科学基金（No. 20210302123136 和 202103021223068）以及山西省博士创新工作站（忻州）对本研究的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
10× 磷酸盐缓冲液（PBS）Lanbolide Trading Co., LTDP7209纯度：≥99%
3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国E105649-25g纯度：≥99%
3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷（GOPS）上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国G107576纯度：≥97%
显影液苏州延才微纳科技有限公司AZ 400K
溴百里酚蓝（BTB）国药集团化学试剂有限公司B801811-25g纯度：≥95%
去离子水上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国W11942418.2 Mfigure-materials-1 cm 
数码显微镜日本奥林巴斯公司DSX1000用于对制备好的有机场效应晶体管（OECT）沟道进行初步观察
十二烷基苯磺酸（DBSA）上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国D106550纯度：≥90%
双恒电位电化学工作站瑞士万通公司（Metrohm AG）VIONIC
双通道源表特科有限公司Keithley 2636B
双靶磁控溅射仪沈阳科晶自动化设备有限公司VTC-600-2HD
乙二醇（EG）上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国E119700纯度：≥99.8%
过氧化氢（H2O2）辉泽生化公司EL纯度：≥35%
N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司328634纯度：≥99.5%
聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司739332纯度：≥99.7%
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司GF09063581
硝酸钾（KNO3）国药集团化学试剂有限公司10017218纯度：≥99.0%
光刻胶苏州延才微纳科技有限公司ROL-7133
扫描电子显微镜（SEM）德国卡尔·蔡司公司Gemini Sigma 300
旋涂仪江苏雷博科学仪器有限公司EZ4
硫酸（H2SO4）国药集团化学试剂有限公司1002160895.0-98.0%
原子力显微镜（AFM）美国布鲁克公司Bruker Dimension Icon
紫外激光打标机上海慈方电气科技有限公司RD-JW355
紫外-可见分光光度计（UV-vis）美国海洋光学公司OCEAN-HDX-UV-VIS

参考文献

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