导电聚合物因其优异的导电性和柔性，被广泛用于可穿戴传感器。构筑离子-电子转导效率和活性表面积的高性能传感器有利于检测汗液中低浓度K⁺的应用。

近日，北京工业大学安全福教授团队在《Small》上发表了最新研究成果“Tailored Polypyrrole Nanofibers as Ion-to-ElectronTransduction Membranes for Wearable K⁺ Sensors”。文章第一作者为博士生杨亚琼，通讯作者为殷明杰副教授和安全福教授。本研究通过超分子组装调控了PPy的聚合过程，制备了PPy纳米纤维膜，将其作为离子-电子导电层，增加了离子-电子的转导效率和活性面积，进一步优化传感膜的微结构并集成可穿戴传感器，实现了对汗液中低浓度K+和体温的实时监测。因此，基于PPy纳米纤维膜的可穿戴传感器为无创汗液传感开发及健康监测提供了新的策略。

图1：超分子组装方法制备PPy纳米纤维及其结构调控的示意图。

作为掺杂剂的圆盘形铜酞菁-3,4’，4’’，4’’’-四磺酸四钠盐（CuPcTs）具有“四臂”结构。该结构可作为模版通过静电力和氢键作用诱导PPy在聚合过程中以预先设计的方向组装（图1）。因此，通过调整CuPcTs浓度，可获得具有纳米纤维状结构的PPy聚合物微结构。

 图2：不同CuPcTs掺杂量的PPy-x的SEM图像：a) 0 μM; b) 0.94 μM; c) 1.88 μM; d) 3.75 μM; e) 7.5 μM和 f) 15 μM。

采用扫描电子显微镜（SEM，图2）研究了不同CuPcTs掺杂量下PPy微结构变化。优化后发现，当CuPcTs掺杂浓度为7.5 μM时，PPy纳米纤维具有较大的长径比，这种纳米纤维结构具有较大的比表面积，可提供最大化的反应活性位点。

图3：a)不同PPy-x膜制备的传感器对K+浓度变化(0.01–100 mM)的传感性能。b) 传感机理示意图。

PPy纳米纤维可降低离子-电子的电荷转移电阻且增大传感膜的活性面积，相较于PPy纳米球更有利于离子和电子扩散，因此，基于PPy纳米纤维膜的传感器具有优异的传感性能（图3）。

图4：a) 集成传感膜用于实时监测人体温度和汗液中钾离子的浓度。b) 所制备的可穿戴传感器的重复性和稳定性。

将优化的K+传感膜与温度传感器集成后，实现了对人体汗液中K+和体温的波动实时监测（图4），为下一代电子医疗诊断提供了新器件。

作者通过控制PPy聚合过程中的超分子组装过程，调控了PPy的纳米结构，获得了具有纳米纤维结构的PPy膜，从而提高了离子-电子的转导效率，同时最大限度地减少水层的形成，实现了对汗液中低浓度K+的实时监测，为无创汗液传感开发及健康监测奠定了基础。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202311802

人物简介：

通讯作者： 殷明杰，北京工业大学校聘教授、博士生导师。主要从事高分子功能膜的制备和微纳加工、气体分离及可穿戴传感器件等研究。在Nat. Nanotechnol., Angew. Chem., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Adv. Sci., JACS等期刊发表论文60余篇。

工作单位：北京工业大学化工系

通讯邮件：yinmj@bjut.edu.cn

通讯作者： 安全福，北京工业大学教授、博士生导师。博士毕业于浙江大学，台湾中原大学薄膜研究中心访问学者。主要从事面向能源环保的纳米基元分离膜的构建、膜组件及其应用研究。迄今已在Nat. Nanotechnol., Nat. Water, Adv. Mater., Angew. Chem., J. Membr. Sci., Chem. Eng. J., J Mater. Chem. A等期刊发表SCI学术论文300余篇，授权国家发明专利58项，参与编写膜相关著作3部；获得浙江省自然科学一等奖（2/5）、中国膜科技中青年突出贡献专家和中国膜行业教育名师奖。国家自然科学基金委员会杰出青年基金项目（2021）等。现任Advanced Membranes和《膜科学与技术》编委，《Nanomaterials》客座编辑等。

工作单位： 北京工业大学化工系

通讯邮件： anqf@bjut.edu.cn

博士生杨亚琼

第一作者：研究方向为功能高分子导电膜的结构调控, 可穿戴传感设备的构建及聚合物微纳加工等。

工作单位：北京工业大学化工系

邮箱：yangyq@emails.bjut.edu.cn