应用QSense QCM-D揭示超分子离子通道提升OECT响应与水稳定性的机制

宾夕法尼亚大学蒋圆闻团队Nature Materials：应用QSense QCM-D揭示超分子离子通道提升有机电化学晶体管响应与水稳定性的机制

让离子快速进入、让水尽量少进入，是水环境中有机电化学晶体管（OECT）面临的核心难题。宾夕法尼亚大学蒋圆闻团队构建了兼具导离子与阻水功能的超分子人工离子通道，并借助QSense QCM-D联用电化学测试，量化薄膜吸水及离子注入过程中的质量变化，为器件兼顾快速响应和长期稳定提供了关键实验证据。

研究背景｜离子传输为何伴随水致失效

OECT利用电解液中的离子调节有机混合离子—电子导体的体相电导，能够将微弱生物信号转化为放大的电学输出。然而，离子进入沟道时，水也可能随之渗入。过量吸水会引起薄膜溶胀、扰乱聚合物有序堆积，进而影响载流子输运和循环稳定性。简单增加疏水屏障，又可能阻碍离子传输，使响应速度下降。

细胞膜提供了另一种思路：阻水的脂质双层与导离子的通道分工协作。研究据此设计了人工离子通道层，在抑制水进入的同时保留有效离子通量。论文发表于Nature Materials，第一作者为王宇晖（Yuhui Wang），通讯作者为蒋圆闻（Yuanwen Jiang）。

研究方法｜用超分子组装构筑选择性传输层

研究人员通过可逆加成–断裂链转移聚合（RAFT），将含脲基冠醚单元与含氟单元引入聚合物。脲基氢键驱动冠醚有序组装，形成离子传输路径；含氟基体则抑制吸水。冠醚空腔与离子的配位作用，还可能促进离子部分脱水。

团队结合囊泡运输、电压钳、小角X射线散射及光谱测试，验证通道传输与超分子组装；随后在PEDOT:PSS等沟道材料上覆盖该层，利用电学、结构及原位质量表征比较其作用。筛选出的聚合物3在25 °C下离子电导率为2.09 μS/cm，水渗透率为5.88 × 10⁻²⁰ m²·s⁻¹·Pa⁻¹，体现出导离子与阻水之间的平衡。

QSense QCM-D｜把吸水与电化学注入联系起来

论文采用Biolin Scientific的QSense analyser（QE401），配合QSense电化学模块及PalmSens4进行循环伏安测试，构成带耗散监测的电化学石英晶体微天平（EQCM-D）测试体系。三电极系统以聚合物包覆的金传感器为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂为对电极。

SI补充说明：电解液以100 μL/min连续流过测量腔室，采用5 MHz晶体第三泛音的频率变化，经泛音数归一化后按Sauerbrey方程换算质量。作者以耗散变化接近零作为刚性近似的依据。

图1｜EQCM-D装置与原始频率信号。a，电化学流动测量池；b，裸PEDOT:PSS；c，通道层修饰膜。上、下两排分别对应被动吸水与循环伏安过程；修饰膜的频率下降幅度明显较小。

图2｜QSense EQCM-D揭示离子通道层对吸水的抑制。m，零偏压下被动溶胀及电压扫描期间主动溶胀的质量变化；n，同步记录的电流；o，质量变化与累积电荷的关系。蓝色为未修饰PEDOT:PSS，红色为覆盖离子通道层的样品。

零偏压接触水时，裸PEDOT:PSS薄膜的质量增加9.14 μg，主要来自吸水；覆盖通道层后降为2.63 μg。施加循环电压扫描后，裸膜又增加11.81 μg，而修饰膜仅增加0.87 μg。按原文数值计算，被动和主动过程的质量增幅分别降低约71%和93%，表明该层不仅减少静态吸水，也显著抑制电化学过程中的额外溶胀。

将质量变化与电流积分得到的电荷量关联后，作者估算：裸膜每注入一个Na⁺，对应约86个水分子的共同进入；加入通道层后，该比值降至约5，同时注入电荷量相近。这是电荷—质量分析得到的有效水/离子比，包含薄膜整体吸水贡献，不能等同于单个Na⁺第一水合壳层的配位数。

实验结果与分析｜质量变化如何解释性能提升

质量证据与结构表征相互印证。掠入射X射线衍射显示，经电化学去掺杂后，裸PEDOT:PSS的层状堆积间距由约13.2 Å增至20.7 Å；覆盖通道层后仅增至13.7 Å。轮廓仪测得的薄膜厚度增幅也从247%降至19%。这些结果说明，减少水的共同进入，有助于保持聚合物堆积结构。

图3｜离子通道层减轻去掺杂过程中的结构膨胀。e、f，二维衍射图与面外衍射曲线；g，层状堆积变化示意；h，薄膜相对厚度变化。厚度数据以平均值±标准差表示，每组为3个独立样品。该图为结构与厚度表征，并非QCM-D直接测得的膜厚。

抑制吸水并未以阻断离子注入为代价。阻抗分析显示，修饰后PEDOT:PSS的体积电容由86增至108 F/cm³；结合晶体管电学特征推算的迁移率由2.29增至7.47 cm²/(V·s)。原位紫外–可见光谱也显示更快的去掺杂动力学。质量、结构和电学证据共同支持：较少的水干扰与有效的离子输运能够同时实现。

在器件层面，代表性修饰OECT的开启、关闭时间常数分别为1.3和1.2 μs，工作带宽约0.8 MHz。需要区分的是，这些微秒级数值来自晶体管电学瞬态测试，并非QCM-D的测量时间分辨率，也不同于光谱实验的秒级动力学。

在37 °C磷酸盐缓冲液中老化28天后，修饰器件保留96%的初始开启态电流，响应时间为9.5 μs；未修饰器件仅保留59%，响应时间由87.2延长至417 μs。修饰器件还在至少6,000次掺杂/去掺杂循环后保留97%的开启态电流。研究进一步在两类n型半导体BBL和p(gNDI-T2)中验证了性能与稳定性的改善。

结论与展望｜从界面传输机制走向生物电子应用

研究将器件性能提升追溯到一个可量化的界面过程：在维持离子注入的同时，减少水伴随进入。QSense EQCM-D提供的原位质量数据，与同步电荷分析、衍射和电学测试构成相互支撑的证据链，帮助解释了超分子通道层为何能够同时改善响应速度与水环境稳定性。

团队进一步将修饰器件用于大鼠脑内多巴胺监测，并在一周植入观察中获得稳定响应，为长期神经化学监测提供了实验依据。这里的一周体内验证与28天体外老化属于不同测试，不能合并理解为28天在体连续监测。面向闭环神经调控及生物混合计算，更长时间的体内可靠性和复杂环境适应性仍需进一步检验。

基金支持

本研究获宾夕法尼亚大学启动经费及其Center for Precision Engineering for Health种子基金支持。论文另致谢由P30 AR069619支持的组织学平台、美国国家科学基金会支持的宾夕法尼亚大学材料研究科学与工程中心（MRSEC，DMR-2309043），以及获NNCI-2025608支持的Singh纳米技术中心。后者属于平台与设施支持，应与研究直接资助区分。

原文链接

DOI: 10.1038/s41563-026-02745-w

注：

（1）文中图片均来自论文原文，版权归杂志社/原作者所有。

（2）文中使用的百欧林耗散型石英晶体微天平分析仪仪器型号为：QSense analyser（QE401）