导电聚合物构建的高性能固态离子选择电极.pdf

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1、第40卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第9期2012年9月ChineseJournalofAnalyticalChemistryl454—1460导电聚合物构建的高性能固态离子选择电极黄美荣谷国利丁永波付啸天李荣贵(同济大学材料学院，先进土木工程材料教育部重点实验室，材料化学研究所上海200092)(江西省丰城三中，宜春331100)摘要基于最新研究文献和自身研究工作，系统总结了以导电聚合物构建的各种高性能固态离子选择电极。导电聚合物所特有的共轭结构以及电子导电和离子导电的双重导电功能使其可以作为离子一电子转换器，从而实现

2、对离子的传感响应与探测。由聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等导电聚合物为转换中间层而构建的离子选择电极可以实现纳摩尔浓度水平的离子传感探测，有望在环境监测、药物医疗和食品安全等诸多方面发挥重要作用。关键词固态离子选择电极；电位传感器；导电聚合物；离子一电子转换器；综述l引言离子选择电极(ISE)作为一类具有操作简单、响应迅速、零维修费用、安全无毒性等优点的有用工具而被广泛应用于环境、化学等领域。在过去的几十年里，作为1SE最关键部分的载体受到了很大的关注，并得到了快速的发展，研究出了大量的Pb+『，Cu_4]，Ag嘲和K。。同等离子载体。而另一方

3、面，ISE性能的优化又由于导电聚合物的发明而开拓出了另外一条改性之路。导电聚合物以其特异的光学性能、电学性能、氧化还原特性等而备受研究者关注。其发明不仅为各种结构材料提升了性能并赋予了新功能，而且为各种电子元件与器件的构建与性能优化提供了新物质。这其中导电聚合物应用于ISE电位型传感器就是典型的例证。这主要得益于导电聚合物比导电无机物优越的可成型加工性，使材料的集成与组装成为可能。它们可以电化学聚合直接成型在基体电极上，或通过化学氧化聚合产物浇铸在基体电极上，达到成型并修饰改性基础电极的目的。更重要的是，导电聚合物具有共轭结构的大分子链

4、，同时具有电子导电和离子的导电性能，因此，可以作为离子一电子转换器，非常适合用作固体电极中的离子一电子转换中间层，为发展易于小型化的、不含内充液的、持久耐用的固态ISE提供了物质基础。长期以来，寻求高转换活性的离子一电子转换中介层吸引了众多科研学者的兴趣。在对导电聚合物到碳纳米管的探测过程中，研究者的目光逐渐集中在导电聚合物中。聚苯胺(PAN)、聚吡咯(PPy)、聚正辛基噻吩(P0T)和聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)等是转换中间层的首选材料。与液体接触电极传感器相比，固体接触电极传感器具有更好的离子传感功能，特别是具有小型化的潜力，使得微

5、量样品的探测成为可能。本文对近年报道的由导电聚合物构建的固态ISE进行了系统总结，以便深入了解不同结构的导电聚合构建的ISE的探测性能。2导电聚合物优异的离子一电子转换功能与传统的膜两侧均为电解质液体的液体接触型电极相比，固体接触电极中传感膜两侧是完全不对称的，膜外侧为样品电解质溶液，是通过离子导电传导的；膜内侧为基体电极固体界面，是通过电子传导的。这种结构与导通上的不对称性使得电位响应存在极大的不稳定性。最早研制的在Pt等金属丝电极上直接涂覆传感膜的电极(cwE)就是其中的一种。这种电极虽然结构最为简单，在设计上具有简洁2012—02

6、-12收稿；2012—04-21接受本文系国家自然科学基金(No．20974080)资助项目Email：huangmeirong@tongji．edu．cn第9期黄美荣等：导电聚合物构建的高性能固态离子选择电极l455性，然而，在离子导通的传感膜与电子导通的基体之界面缺乏转换介质而使其发生界面导通障碍，这也正是CWE电极电势不稳定的原因。这一问题最初是通过界面之问增加水凝胶的电解质方法来解决】。水凝胶能够形成明确的离子一电子转换的导通通道，其本质与经典液态接触型电极一样。由于水凝胶会随盐含量的高低发生水的吸收与脱除，进而引起体积改变。因

7、此，这种解决方法存在明显的缺陷。一种构建固体接触电极的变革性方法是在传感膜和金属丝电极界面之间引入具有氧化还原能力以及离子电子交换功能的转换层。这种情况下，即使该固体接触层是具有氧化还原活性的单层化合物分子，也会存在一个特定的离子一电子转化通道。当然，单分子层的一个明显的局限是其氧化还原能力较低。离子导电向电子导电的转变过程是非对称的，因此中间层必须具有很高的氧化还原电容才能使电极的极化降低到最小程度，这是响应电位得以稳定的必要条件。导电聚合物共轭结构具有的独特电性质、电化学性质、光学性质，固态下就能够将化学信号转换成电信号或光信号。可

8、通过电聚合或溶液浇铸成膜来修饰基体电极而直接作为敏感层来传感探测离子。同时，导电聚合物是电子导电和离子导电共存的电活性材料，用作离子一电子转换层显示出极大的优势，是极具发展潜力的离子一电子转换元件。它可以在