PEDOT∶PSS基材料在柔性传感与监测器件中的应用研究

Research on Application of PEDOT∶PSS Based Materials in Flexible Sensing and Monitoring Devices

摘要

导电高分子聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT∶PSS）因其高导电性、柔韧性和溶液加工性成为柔性传感监测的理想材料。文章系统总结其在相关领域的应用进展，分析构效关系与性能优化策略，综合探讨PEDOT∶PSS在化学生物传感、压力监测、应变传感三大领域中的应用，剖析分子工程、结构设计及复合材料协同如何解决稳定性、灵敏度与机械适配性等核心问题。研究表明：在化学传感中，将活性材料锚定于导电骨架可实现高灵敏稳定检测。在压力监测中，通过微结构设计及与功能材料复合可平衡宽检测范围与高灵敏度，结合机器学习可实现智能交互。在应变传感中，借助界面工程与多级结构调控，可协同提升力学韧性与电学响应速度。PEDOT∶PSS凭借其多级可调性，成为连接基础研究与应用实践的桥梁。

Abstract

Conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene)∶poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) has become an ideal material for flexible sensing and monitoring due to its high conductivity, flexibility, and solution processability. The article systematically summarized its application progress in related fields and analyzed the structure-property relationships and performance optimization strategies. The applications of PEDOT∶PSS in three major fields-chemo/biosensing, pressure monitoring, and strain sensing-were comprehensively discussed, with an analysis of how molecular engineering, structural design, and composite material synergy addressed core issues such as stability, sensitivity, and mechanical compatibility. The study showed that in chemical sensing, anchoring active materials to conductive scaffolds enabled highly sensitive and stable detection. In pressure monitoring, microstructural design and compositing with functional materials balanced a wide detection range with high sensitivity, and intelligent interaction was achieved through integration with machine learning. In strain sensing, interfacial engineering and multi-level structural regulation synergistically enhanced mechanical toughness and electrical response speed. With its multi-level tunability, PEDOT∶PSS served as a bridge connecting fundamental research and practical application.

Graphical abstract

关键词

聚3，4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐 / 柔性传感与监测器件 / 化学生物传感 / 压力监测 / 应变传感

Key words

PEDOT∶PSS / Flexible sensing and monitoring devices / Chemical and biological sensing / Pressure monitoring / Strain sensing

柔性电子技术的快速发展对核心材料提出高导电性、优异柔韧性与穿戴舒适性的综合要求^[1]。导电高分子聚3,4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)凭借其出色的溶液加工性与可调控的电化学特性，在该领域受到广泛关注^[2]。PEDOT∶PSS独特的组成与微观结构不仅使其能够实现从薄膜到纤维的多形态加工，还可在分子层面与功能材料复合，为构建高性能柔性传感器件提供理想平台^[3]。将PEDOT∶PSS与活性材料共筑导电骨架，可实现对生物分子的高灵敏度与高稳定性检测^[4]；借助微结构设计与复合材料协同，可开发出兼具宽检测范围与高灵敏度的压力传感器，成功应用于人机交互与微弱生理信号捕捉^[5]；在应变传感领域，通过界面分子工程与多级结构调控，可在确保导电网络稳定性的同时协同提升力学韧性与电学响应速度^[6]。尽管相关研究已取得显著进展，但在复杂应用场景下，PEDOT∶PSS基传感器在长期服役稳定性、信号线性度以及规模化制备等方面仍面临一定挑战^[7]。本文旨在系统总结PEDOT∶PSS基材料在柔性传感与监测器件中的应用进展，分析其构效关系与性能优化策略，以期为新一代柔性电子技术的发展提供参考。

1 PEDOT∶PSS基材料的特征

PEDOT∶PSS是一种由导电聚合物PEDOT和聚电解质PSS组成的复合材料^[8]。从微观结构上看，PEDOT链段与PSS链段通过静电相互作用缠绕在一起，形成纳米尺度的核壳结构或互穿网络，这种独特组成使其兼具高导电性和良好的溶液加工性^[9]。PEDOT∶PSS可分散于水中形成稳定悬浮液，通过旋涂、喷墨打印、湿法纺丝、静电纺丝等多种工艺制备成薄膜、纤维或三维多孔结构，以适应不同应用场景的需求^[10]。例如，通过湿法纺丝工艺可将其连续制备成具有取向结构的导电纤维，这种纤维不仅保留PEDOT∶PSS本征的高导电性，还因其优异的柔韧性和可编织性，能够被轻松织入织物或集成于可穿戴设备中，从而在实现信号传输的同时确保穿戴舒适性，极大拓展其在柔性电子领域的应用边界^[11]。加工过程的可调控性使研究人员能够精确设定材料的几何形貌、比表面积以及与其他材料的界面结合能力，从而为性能优化提供丰富的设计空间^[12]。

基于上述结构可调性，PEDOT∶PSS材料展现出多方面的优异性能，其最显著的特征是实现高导电性与出色柔韧性的统一^[13]。例如，通过添加二甲亚砜等溶剂进行“二次掺杂”或结合拉伸、酸处理及热处理等后工艺能够有效促进PEDOT分子链的规整排列，提升载流子迁移率，达到接近金属的导电水平，同时依然保持高分子材料固有的柔韧性与一定的透光性^[14]。

然而，这种高导电性与柔韧性的统一并非无条件达成，其背后蕴含着深刻的构效关系权衡。从微观机制来看，PEDOT链段的聚集态结构直接决定电荷输运效率，PEDOT富集区形成的导电通道越连续、规整，载流子迁移率越高^[15]。为实现这一理想结构，通常需要通过二次掺杂或酸处理等方式去除过量的绝缘PSS组分，从而诱导PEDOT分子链重排与相分离重构^[16]。但PSS不仅是电荷输运的屏障，更是赋予材料良好成型能力与力学韧性的关键支架^[17]。过度去除PSS虽能显著提升电导率，却可能导致材料内部应力集中，使脆性增加，反而削弱其在反复形变下的结构稳定性^[18]。换言之，导电性与力学柔韧性之间存在此消彼长的内在矛盾，二者的协同优化恰恰依赖对微观相分离结构的精确调控^[19]。这种构效关系中的矛盾与平衡，正是各类复合改性、结构设计策略试图解决的核心问题，也为不同应用场景下材料性能的定向设计提供依据。

从分子到宏观尺度的多级可调性使PEDOT∶PSS超越单一材料的范畴，成为一个功能可设计的平台性材料^[20]。PEDOT∶PSS在柔性传感与监测器件领域的巨大潜力自然凸显，其优异的导电网络构筑能力、与柔性基底的适配性以及界面工程的可行性使其成为连接基础研究与实际应用探索的理想桥梁^[21]。

2 PEDOT∶PSS基材料在柔性传感与监测器件中的应用

PEDOT∶PSS基材料凭借其卓越的导电性^[22]、柔韧性^[23]和溶液加工性，为突破柔性传感材料的性能瓶颈提供了理想平台。PEDOT∶PSS能够从材料和结构层面有效解决传感界面中活性组分的负载稳定性、电子传输效率及机械适配性等核心问题^[24]。基于此，研究人员开发出一系列高性能传感器件，以下结合具体研究案例，系统阐述其在不同传感场景下的应用探索。

2.1 化学与生物分子监测

在化学与生物分子监测领域，传统电化学传感器常因表面负载的活性材料在液体环境中脱落或失活而失效^[25]。针对这一核心问题，研究者尝试将PEDOT∶PSS作为导电基底与活性材料复合，以提升器件的稳定性与检测性能。LI等^[26]将PEDOT∶PSS悬浮液与传感活性材料共挤出，连续制备出对过氧化氢、抗坏血酸、葡萄糖等具有响应性的纤维传感器。活性材料不再是被动附着于表面，而是被主动锚定于导电骨架之中，既获得物理保护，又实现高效电子传输。所得传感器在弯曲、摩擦及长期浸泡条件下，批次间信号差异小于5%，成功实现小鼠皮下过氧化氢及脑内抗坏血酸的长期动态监测。

基于植入式监测的经验，研究人员进一步探索PEDOT∶PSS在无创检测场景中的应用。李劲松等^[27]对棉纤维表面进行改性，制得电阻为60 Ω/cm的PEDOT∶PSS/石墨烯(Gr)导电膜，并将其组装成有机电化学晶体管，通过栅极修饰葡萄糖氧化酶实现信号放大。该传感器在1 pmol/L~10 μmol/L葡萄糖浓度范围内，回收率为87.2%~110%。无论是通过“植入”策略解决稳定性问题，还是以“放大”策略攻克灵敏度难题，二者共同验证PEDOT∶PSS基材料从有创到无创场景的适配能力。

进一步拓展至环境与食品安全监测领域，赵卓君等^[28]用水热法制备V₂O₅纳米酶，将其与导电水凝胶PEDOT∶PSS复合，制备出用于检测双酚A的电化学传感器。与前述酶传感器不同，此处PEDOT∶PSS不仅作为导电基质，其亲水网络更为纳米酶提供稳定的微环境。该修饰电极在0.1~50.0 μmol/L范围内具有良好的线性关系，检测限为0.013 μmol/L，灵敏度为0.18 μA/(μmol/L)，能够有效抵抗常见离子干扰，成功应用于自来水和牛奶样品检测。

从生物体内的植入式监测到体外的无创检测，再到环境与食品样本的复杂基质分析，上述案例逐步展示PEDOT∶PSS基材料在电化学传感器中的多重作用。作为导电基底稳定负载活性材料、作为晶体管沟道实现信号放大以及为纳米酶提供适宜微环境^[29]。这一系列研究验证PEDOT∶PSS作为通用导电平台，从有创到无创、从简单到复杂应用场景的适配能力^[30]。

2.2 物理压力监测

在物理压力监测领域，PEDOT∶PSS因能够构建灵敏且稳定的导电网络而备受关注，其通过压阻或电容效应将压力信号转换为电信号^[31]。近年来，研究重心已从单一器件制备转向面向复杂应用场景的微结构设计与系统集成，为人机交互和生理健康监测开辟新路径^[32]。

针对柔性传感器灵敏度与检测范围的固有矛盾，ZHENG等^[33]提出一种基于梯度结构的设计策略，以PEDOT∶PSS修饰棉纤维作为导电骨架，结合物理压印与折叠工艺，构建出压阻式传感器。该器件在0.704 kPa^-1灵敏度与500 kPa宽检测范围之间实现良好平衡，线性度(R²)高达0.99，在高频循环负载下变异系数仅为3%。这一工作表明，将导电聚合物的成膜特性与天然纤维的微观结构相结合可在不牺牲检测范围的前提下提升灵敏度，为手语识别、步态分析等动态压力监测提供了兼具高线性度与稳定性的解决方案。

当PEDOT∶PSS与二维过渡金属碳/氮化物(MXene)复合时，其精细动作捕捉能力得到进一步发挥。钟山等^[34]将PEDOT∶PSS/MXene复合材料与具有微结构的可拉伸Ecoflex基底集成，制备出可贴附于嘴角的柔性压阻传感器。图1为基于PEDOT∶PSS/MXene压阻式柔性压力传感器的制备流程^[34]。该器件能够精准捕获唇部肌肉运动的微弱信号，结合卷积神经网络对十二生肖英语单词进行识别，平均准确率达到90.18%。该研究的突破之处在于将材料传感特性与机器学习算法深度融合，实现从感知到理解的跨越，为开发能识别人类细微意图的智能人机交互系统提供参考。

从外部动作识别延伸至内部生理信号探测，是PEDOT∶PSS基传感器应用深化的另一趋势。李佰骏等^[35]将PEDOT∶PSS与MXene按质量比为1∶1混合，制备成褶皱结构电极，再与离子液体介电层结合，构建电容式压力传感器。褶皱结构显著增强对微小形变的敏感性，使器件在0~50 kPa和50~200 kPa区间分别具有603 kPa^-1和91.66 kPa^-1的高线性灵敏度，响应时间仅33 ms，循环稳定性超过4 000次。该研究证实，PEDOT∶PSS的引入不仅改善复合电极的导电性，更通过结构可设计性赋予传感器捕获脉搏等微弱生理信号的能力，为高性能可穿戴健康监测设备的技术升级提供可行途径。

综上所述，PEDOT∶PSS在物理压力监测领域的应用正沿着“结构工程化-功能复合化-应用智能化”的路径演进^[36]。从梯度结构拓宽检测范围，到结合机器学习解锁唇语识别，再到利用褶皱结构捕捉微弱生理信号，这些研究共同凸显PEDOT∶PSS基传感器在灵敏度、稳定性和可设计性方面的核心优势^[37]。随着材料复合策略的深化与微加工技术的进步，该材料有望在人机交互、远程医疗和运动康复等前沿领域发挥更关键的作用^[38]。

2.3 柔性应变传感

PEDOT∶PSS在柔性应变传感领域的应用价值源于其能够与聚合物基体复合形成在机械形变下保持稳定的导电网络^[39]。然而，这一目标的实现首先需要确保导电相与基体间的界面结合足以抵抗反复形变，在此基础上才能追求灵敏度与响应速度的协同提升，最终方可拓展至宽检测范围等复杂应用场景^[40]。

解决界面剥离问题是构建耐疲劳传感器的前提。王杭州等^[41]研究表明，单纯依靠物理共混难以保证导电网络在动态加载下的稳定性。因此，他们通过一锅法合成紫外光固化水性聚氨酯(UVWPU)，并引入强氢键与Ca²⁺金属络合作用，在PEDOT∶PSS与聚合物基体之间构建多重动态物理交联点。这种分子层面的界面增强设计有效抑制导电通路在拉伸过程中的不可逆滑移，同时氢键和配位键的可逆断裂与重组能够在形变中耗散能量，间接保护导电网络的完整性。实验结果显示，该传感器经过1 000次循环拉伸测试后仍能保持稳定的信号输出，证实了界面分子工程是实现器件长期服役稳定性的基础。

在界面稳定性获得保障的前提下，传感器性能的优化方向自然转向力学韧性与电学响应速度的协同提升。赵梦珂等^[42]在前期界面研究的基础上，进一步引入羟乙基纤维素(HEC)作为模板，对导电网络的微观结构进行调控。HEC在PEDOT∶PSS原位聚合过程中引导其有序沉积，改善了导电组分的分散状态，构建更为高效的导电通路。随后将上述复合体系与聚丙烯酰胺(PAM)网络互穿，形成多级结构水凝胶。这一策略使材料同时获得814%的断裂伸长率、1.19 MJ/m³的高韧性、41 ms的响应时间以及灵敏度因子为7.20的快速响应特性。从界面加固到结构优化的演进表明，当基础稳定性问题得到解决后，通过构筑多级结构实现多性能指标的平衡成为可能。

基础性能良好的材料最终需要在实际应用场景中验证其有效性，这便涉及检测范围与信号线性度的进一步拓展。周金利等^[43]在已有工作基础上探索传感器在更极端形变条件下的表现，采用冻融法构建聚乙烯醇/羟基乙基二磷酸(PVA/HEDP)复合基体，利用两组分间的强氢键网络赋予水凝胶高达949%的极限拉伸性能。PEDOT∶PSS在该体系中的均匀分布形成了可逆且稳定的导电通路，在0~400%的宽应变范围内表现出良好的线性响应，灵敏度系数为1.16。这种宽范围线性响应特性使其能够同时监测关节活动等大变形和脉搏波形等微弱生理信号，将PEDOT∶PSS基传感器的应用从常规人体活动监测拓展至更为复杂的场景。

从界面分子工程奠定稳定性基础，到多级结构设计实现性能协同提升，再到宽域响应调控验证复杂场景适用性，这三项研究构成一个层层递进的逻辑链条^[44]。它们共同揭示出PEDOT∶PSS基柔性应变传感器的发展路径，只有首先解决界面结合这一根本问题，才能在此基础上追求综合性能的优化，进而将应用边界向更复杂、更极致的场景延伸^[45]。这一演进框架为高性能柔性传感材料的设计提供可参照的策略方向。

3 结论

本文系统综述PEDOT∶PSS基材料在化学生物传感、压力监测及应变传感领域的研究进展。在化学生物传感中，作为导电基底构筑稳定骨架；在压力监测中，通过结构工程实现宽范围高灵敏检测，并结合机器学习迈向智能化；在应变传感中，借助界面分子工程与多级结构设计，实现力学韧性与电学响应的协同提升。上述研究从不同维度切入构效关系优化、界面稳定性增强及多功能集成等核心问题，为材料走向应用奠定了基础。

目前，PEDOT∶PSS基柔性传感材料的研究已取得显著进展，但在商业化进程中仍面临若干关键问题。未来可重点关注：(1)导电网络的原位演化与稳定性调控，结合原位表征与理论模拟建立微观结构-服役寿命关联模型；(2)多模态传感集成与信号解耦策略，开发集成化阵列并结合机器学习实现智能感知；(3)超低功耗与自供电系统集成，利用PEDOT∶PSS的热电与电化学活性，实现传感与能量收集单元的协同统一。

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基金资助

教育部产学合作协同育人项目(2411011025)

河南理工大学鹤壁工程技术学院2023年度自然科学重点资助项目(2023-ZRZZ-005)