引　言

近年来，基于法布里–珀罗（Fabry–Pérot，F-P）光学微腔实现的振动强耦合（vibrational strong coupling，VSC）技术在生物化学研究中崭露头角，并展现出巨大的应用前景^[1-3]。VSC是分子振动模式与光子在高强度光场中相互作用产生的混合量子态的现象。VSC改变分子能级的原理是基于量子力学中的光与物质相互作用理论^[4-6]。VSC通常指的是光场（如腔量子电动力学中的光子模式）与分子内部的振动模式之间的强烈相互作用。分子振动与谐振腔光子之间的能量交换产生了两种新的光–物质混合态或极化态，即极化子（P+，P−）^[7]。这种状态可以通过典型的F-P光学微腔实现，通过选择特定的频率，使腔和分子振动吸收带共振耦合^[8]。这种耦合会导致新吸收带的出现，进而改变分子能级和反应常数。这些改变会对生化反应产生显著影响，例如：改变分子内化学键的振动能级，影响蛋白质的水合作用，提高酶促反应效率。Zhong等^[9]利用VSC技术促进了DNA碱基对间氢键的断裂，显著影响了DNA折纸过程。Gao等^[10]利用VSC技术影响O—H伸缩振动，显著促进了ATP的水解。更重要的是，VSC可以在黑暗环境中进行，无需外界供给能量，是一种全新的生命反应调控手段^[11]。

聚苯胺（polyaniline，PANI）作为一种具备pH响应性的导电高分子材料，在电化学传感领域具有重要的应用价值。它可以作为一种基础材料用于pH传感器的制造。当环境pH发生改变时，PANI的导电性能会发生显著变化，这种变化可以被转化为电信号，从而可实现对pH的检测^[12-16]。Hou等^[17]利用同轴电纺技术制备了聚苯胺/聚氨酯（polyaniline/polyurethane，PANI/PU）核壳结构柔性纤维传感器，实现了对pH的稳定且高灵敏度的监测。该传感器采用逆微乳液法优化了PANI的溶解性与分散性，能有效检测汗液的pH，解决了导电材料与柔性聚合物复合的难题，为可穿戴生物传感器的开发提供了新型、简易且低成本的解决方案。Li等^[18]研究开发了一种基于掺杂十二烷基苯磺酸的PANI膜柔性pH传感器。该传感器采用互锁指状电极结构和聚酰亚胺基底薄膜，通过优化电极几何参数，结合微机电系统加工技术制备，在湿润环境及可穿戴条件下实现了对伤口愈合过程中pH变化的稳定且高灵敏度（58.57 mV/pH）的监测。这一传感器的设计旨在提供实时连续的pH监控，以促进伤口愈合并抑制疤痕形成。Guinovart等^[19]开发了一种基于丝网印刷技术的嵌入式、可穿戴PANI电位传感器，可用于实时监测伤口愈合过程中的pH变化。

电化学过程中的电子转移及氧化还原反应能够有效调整分子的电子配置，进而影响化学键强度和原子间相互作用的机制，从而直接影响分子的振动特性。电化学技术通过精确调控电子的转移过程，可用于调节一系列的化学反应。尤其是在生物体系中，氧化还原反应扮演着不可或缺的角色，其中的电子传递链构成了生物化学过程中至关重要的环节，它能沿着特定路径将电子有序地传输至最终的氧化还原受体。生物体内发生的氧化还原反应是生命活动的基础，并构成了生物能量代谢的核心原理，它们不仅调控生物分子的功能状态，还在细胞信号传导以及生理和病理过程中发挥着决定性作用。尽管将电化学原理与量子电动力学相结合是一个颇具创新性和吸引力的研究方向，但在利用电化学方法实时监测和操控生物氧化还原反应，尤其是在微观尺度，如光学微腔内这一特定环境中的相关研究报道较少。

1 实验部分

F-P光学微腔由两个氟化钙材质的圆形窗片和一个微米级隔片构成，其中一个窗片上有两个小孔，分别为注液孔和出液孔。两个窗片的各一面用离子溅射仪镀上金膜后，其中的一面再用旋涂仪覆盖上一层聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）。将镀有金膜的两个表面贴合在一起，并在中间放置一个微米级隔片（麦拉膜，一种聚酯薄膜），三者组合在一起形成F-P光学微腔。在两个未镀膜的窗片表面各放置一个橡胶垫片和盖板，与F-P光学微腔一同构成微流控系统（见图1、图2）。常用的液体池为金属材质，为防止金属的导电性对实验产生影响，故采用3D打印的聚乳酸材质的液体池。

由于反应在水环境中发生，因此水能级的改变可能会影响整个反应过程。通过调整F-P光学微腔的腔距来分裂水分子在3 403 cm⁻¹波数处的伸缩振动能级。新生成的振动极化量子态分别为P+和P−，如图3（a）所示。经计算，P+和P−分别为65 cm⁻¹和62 cm⁻¹，两个极化态之间的拉比分裂值为702 cm⁻¹，见图3（b）。该值大于水分子伸缩振动能级的半高全宽（439 cm⁻¹），也远大于F-P光学微腔腔模的半高全宽（76～132 cm⁻¹），能满足形成振动强耦合的实验要求。

采用电化学氧化聚合法制备聚苯胺，在苯胺的电解质溶液（0.5 mol/L的苯胺与2 mol/L的硫酸按体积比1∶1混合，混合液pH > 1.8）中，选择适当的电化学条件，以25 mV/s的速度扫描，扫描范围设置为−0.2～0.9 V，使苯胺在阳极上（即镀金的窗片表面）发生氧化聚合反应，生成黏附在电极（窗片）表面的PANI膜，见图4（a）。

循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）是一种电化学分析技术。该技术通过在工作电极上以可逆的方式改变电位并记录相应的电流响应来研究物质的氧化还原过程。实验时，电位按照预定的速率从一个初始值开始正向扫描至最大值，然后再反向扫描回到初始值，从而形成一个完整的循环。在这个过程中，当工作电极电位达到某个特定值时，溶液中的电活性物质会在电极表面发生氧化或还原反应。在单个窗片上修饰PANI膜后，在不同pH条件下（pH = 2～8），利用循环伏安法进行检测，发现随着pH逐渐增大，氧化还原峰发生了偏移。CV曲线表明，PANI已成功修饰到窗片上，详见图4（b）。

在乙酸–乙酸钠（HAc–NaAc）缓冲液体系中，聚苯胺的电位变化主要取决于体系的pH及自身的掺杂或脱掺杂状态。乙酸呈弱酸性，而乙酸钠呈弱碱性，通过调节乙酸和乙酸钠的混合比例，HAc–NaAc缓冲液可以维持一定的pH范围，从而影响聚苯胺的导电机理。

F-P光学微腔体系在HAc–NaAc缓冲液体系中以不同扫描速率（20～100 mV/s）在由金（Au）工作电极、银（Ag）参比电极和铂（Pt）对电极组成的三电极系统中进行电化学测试。随着扫描速率的增加，CV曲线仍保持形状相似，见图5（a）。在CV曲线中可以明显看到氧化峰和还原峰，分别对应于PANI的去掺杂和掺杂状态，表现为氧化态的转化。这表明F-P光学微腔体系具有优异的化学反应活性。随着扫描速率的增加，峰值电流的绝对值趋于变大，这表明峰值电流的变化与扫描速率是线性相关的，电极反应过程符合扩散控制过程的特征。此外，CV曲线的不对称性表明电极反应是不可逆的，从而导致CV曲线中的峰值电位随扫描速率的变化而变化。而各CV曲线的形状相似则表明速率行为良好（即峰值电流变化与扫描速率线性相关）且工作电极稳定。图5（b）中的氧化电流峰值随扫描速率的变化曲线是由图5（a）中所示的氧化峰相关数据绘得。

首先，利用红外光谱仪在空气中调控出具有光频梳的空F-P光学微腔，并保证F-P光学微腔有较高的品质因子。将超纯水注入空腔，O—H的伸缩振动带发生拉比分裂，表现为振动强耦合效应。0.5 h后注入HAc–NaAc缓冲液并排出水，拉比分裂现象依然存在，见图6。这一过程是为了确保实验时F-P光学微腔体系已经达到稳定状态。

由于HAc–NaAc缓冲液主要含有O—H，其红外吸收峰也在3 403 cm⁻¹附近，因此与VSC产生协同作用的即为O—H。由水的红外透射光谱可知，O—H伸缩振动的吸收带大约在3 759～2 819 cm⁻¹之间，对应的腔距为6.0～8.0 μm。随机选取几个腔距进行实验，选取的腔距分别为6.2、6.3、6.6、6.9和7.5 μm，对应波数分别为3 638、3 580、3 417、3 269和3 007 cm⁻¹。这些波数包含在六阶腔模内，通过调整液体池的螺丝来实现腔距的调节，进而可以有效地在不同程度上耦合O—H伸缩振动。

腔距计算公式为

$ L=\frac{1{0}^{4}\times m}{2\times n\times {A}_{{\mathrm{FSR}}}} $

(1)

式中：L为腔距；m为F-P腔模阶数；n为介质折射率；A_FSR为自由光谱区。

2 实验结果和分析

利用电化学石英晶体微天平在不同pH的HAc–NaAc缓冲液中，测量非F-P光学微腔体系以及不同腔距的F-P光学微腔体系的电位变化。从F-P光学微腔装置的注液孔注入不同pH的HAc–NaAc缓冲液。出液孔与装有相同pH的HAc–NaAc缓冲液的烧杯连接，并保证微腔内液体与烧杯内液体连通。将3个电极与测量装置连接，工作电极信号用于观测反应的进行；参比电极用于提供一个恒定且已知的参考电位；而对电极与工作电极相对，共同构成闭合回路，使电子定向移动。

实验结果显示，当pH为3.0～6.0时，非F-P光学微腔体系的电位变化近似呈线性（相关系数R₁ = −0.99，R₁² ≈ 0.98），见图7。将pH = 6时的电位与pH = 3时的电位作差，用这个差值除以两个pH的差值，就可以得到pH响应灵敏度（用mV/pH表示）。经计算，非F-P光学微腔体系的pH响应灵敏度为−60 mV/pH。

随后，进行了F-P光学微腔体系下的预实验，即修饰了PANI膜的F-P光学微腔体系在不同pH时的电位变化。如图8（a）所示，随着pH在3.0～7.0范围内逐渐增大，F-P光学微腔体系的电位逐渐减小，呈线性（相关系数R₁ = −0.98，R₁² ≈ 0.96），见图8（b） 。这是因为在pH较低的环境中，PANI会大量接受质子（H⁺），呈质子化状态。在该状态下，苯环上的氮原子带正电荷，会促使π电子在共轭体系中移动，从而提高材料的导电性，使PANI表现出较高的电导率和特定的氧化还原电位。随着pH增大（趋向碱性环境），PANI分子上吸附的质子减少，氮原子逐渐去质子化，PANI的导电性随之下降，测量电位也相应减小。

实验结果显示，当pH 为 3.0～7.0时（即酸性环境），不同腔距的F-P光学微腔体系的电位随着pH的增大而逐渐减小，呈线性相关；当pH为8时（即碱性环境），PANI表面的氨基离解产生铵根负离子，使PANI由掺杂态趋向中性或去掺杂态，其导电性下降。同时，由于去掺杂引起的电荷补偿效应，PANI电极的氧化反应电位正移，表现为电位上升。经计算，当腔距为6.2 μm时，F-P光学微腔体系的pH响应灵敏度为−11.25 mV/pH。当腔距为6.3、6.6、6.9和7.5 μm时，该灵敏度分别为−10.25、−8、−9.5 和−13.75 mV/pH。因此，当腔距为6.6 μm时，pH响应灵敏度最低，详见图9（a）。为了研究水在振动强耦合中的作用，将不同腔距时的pH响应灵敏度变化趋势叠加到O—H在3 403 cm⁻¹波数附近的伸缩振动吸收带上，如图9（b）所示。结果表明，在3 403 cm⁻¹波数（约6.6 μm腔距）腔体模式下，O—H伸缩振动达到极强耦合状态，PANI对pH的响应灵敏度被显著抑制。这一结果更加有力地证明了氧化还原反应受水的能级分裂影响。水在电子传递过程中起着至关重要的作用，在反应的各个阶段都涉及电子和H⁺（质子）的传递。当电化学微腔中的空腔间距被微调到与水中的O—H键强耦合时，VSC有可能改变O—H伸缩振动的能级，这种改变会显著影响微腔内H⁺和电子的转移过程，从而引起转移速率的变化。

3 结　论

PANI因其独特的pH响应性，在电化学传感领域展现出巨大应用潜力。在结合F-P光学微腔的振动强耦合效应后，其对外界环境，特别是pH变化的检测性能取得了突破性进展。实验结果表明，经PANI薄膜修饰的F-P光学微腔系统能够精细调控由pH变化引起的PANI掺杂状态转变以及分子内部振动模式和能级的变动。其中，水分子的O—H伸缩振动吸收带的变化规律与PANI的pH响应灵敏度的变化趋势相同。在特定耦合状态下，能级的改变可极大优化pH的检测精度。该研究揭示了F-P微腔中光场的振动强耦合与分子间的协同作用对于分子能级改变、生化反应调控的重要性，特别是在电化学过程中，水分子的O—H能级变化可通过VSC效应直接影响微腔内部H⁺和电子的转移速率，从而为PANI对pH的响应提供新的调控策略。相较于传统检测手段，F-P腔可以极大地提高对微小光学变化的检测能力。结合PANI等pH敏感材料，F-P腔能够检测到极其细微的pH变化，实现更加灵敏的pH检测，提高对pH变化的分辨率。并且非接触式的检测可以避免对样品造成污染或破坏。作为一个新兴且富有活力的研究领域，结合光学F-P微腔的振动强耦合技术将在量子信息、精密传感、新材料研发以及跨学科交叉应用等方面展现巨大潜力。