氩等离子体处理调控聚苯胺-沸石复合材料的质子化和氧化状态及其在生物传感中的应用

研究人员针对导电聚合物聚苯胺(PANI)在传感应用中稳定性不足的问题，通过将PANI与Na-沸石复合并结合氩等离子体处理，成功提升了PANI的质子化程度和氧化状态。研究证实等离子体处理使PANI/Na-沸石(PNZ)复合材料的氧化度从44.68-52.16%提升至57.49-59.16%，并形成具有极子和双极子特征的翠绿亚胺盐结构。该复合材料对葡萄糖的检测限(LOD)低至2.12±0.66 mM，展现出优异的生物传感潜力。

　　

在生物传感领域，导电聚合物(CPs)因其独特的π电子离域特性备受关注，其中聚苯胺(PANI)因其环境稳定性和易合成特点成为研究热点。然而，PANI在氧化还原循环中易发生体积变化，导致结构完整性下降和电导率衰减。同时，传统金属氧化物和碳基生物传感器虽性能优异，但存在成本高、制备复杂等问题。如何通过材料改性提升PANI的稳定性并开发新型生物传感器，成为当前研究的关键挑战。

菲律宾大学迪利曼分校的Mae Ann R. Aurellano团队在《Next Materials》发表研究，创新性地将PANI与Na-沸石复合，并采用氩等离子体处理技术，成功开发出具有优异传感性能的PANI/Na-沸石(PNZ)复合材料。研究人员通过扫描电镜(SEM)证实PANI在沸石孔隙和表面的均匀分布，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱分析发现PANI特征峰占主导地位。通过解卷积1546 cm^-1和1469 cm^-1处的醌式环(Q)和苯式环(B)红外吸收比，计算出PANI的氧化度范围为44.68±0.35%至52.16±0.93%，证实其翠绿亚胺形态。

研究采用射频(RF)等离子体系统在50 W功率下对样品进行5分钟处理，通过光学发射光谱(OES)检测到Ar⁺离子和活性氢离子(H⁺)的存在。等离子体处理后，PNZ复合材料的氧化度显著提升至57.49±0.38%至59.16±0.14%。紫外-可见光谱(UV-Vis)在430 nm(极子)和600-800 nm(双极子)处观察到特征吸收，证实了翠绿亚胺盐的形成。

在生物传感性能测试中，研究人员以葡萄糖为模型分析物，发现等离子体处理的PNZ复合材料检测限(LOD)为2.12±0.66至3.59±0.009 mM，低于糖尿病诊断阈值(7.0 mM)。通过主成分分析(PCA)揭示等离子体处理过程中氮(N)和氧(O)活性物种的形成机制，这些活性物种促进了PANI的质子化过程。

研究结果表明，氩等离子体处理通过以下机制提升PNZ性能：(1)清除沸石表面吸附的Na⁺和H₂O分子，增加锚定位点；(2)产生H⁺离子促进PANI胺基质子化；(3)形成更多极子和双极子载流子。这种改性使材料具有三大优势：更低的葡萄糖检测限、更好的选择性和更高的稳定性。

该研究首次系统阐明了等离子体处理对PANI-沸石复合材料的影响机制，开发的新型生物传感器在糖尿病监测领域展现出应用潜力。未来研究可进一步优化等离子体参数，探索材料对其他生物分子(如果糖、蔗糖)的检测性能，推动其在临床诊断中的实际应用。