有机场效应晶体管（OFETs）在可印刷和柔性电子产品中扮演着重要角色。近年来，随着物联网和可穿戴及便携式电子等技术的快速发展，人们对各种超低成本、轻量化、薄型化和柔性传感器的需求迅速增长。氟是哺乳动物生物系统的重要组成元素。人体从饮用水中摄入少量的氟离子可以强健骨骼，预防骨质疏松或蛀牙。但是，摄入过量的氟离子会导致肠胃和肝脏疾病。因此，将饮用水中的氟化物浓度保持在适当的范围内对于公众健康非常重要。现有的氟离子传感器主要依靠具有选择性的电极材料借助参比电极进行信号测量。而其他正在开发的氟离子传感器主要是基于比色或荧光的光学化学传感器。这些传感器不能满足新兴市场的要求。最近OFET氟离子传感器的研究取得了的结果，但检测限（LOD）还达不到一些应用的要求。

本文中加拿大滑铁卢大学化工系李玉宁教授团队报导了一种基于甘氨酸酐（Piperazine-2,5-dione，GA）的新型半导体聚合物PIDHPTT。利用PIDHPTT制作的OFET氟离子传感中展现出优异灵敏度和选择性。

本研究首先合成了一个由GA单元和两个吲哚基单元组成的新型电子受体单体 IDHP-Br，然后以该单体与噻吩并噻吩（TT）共聚，制备了电子给体-受体型聚合物半导体 PIDHPTT。内酰胺（Lactam，含有 –C(=O)–NH– 基团）和内酰烯（Lactim，含有 –C(=N–OH)– 基团）是一对互变异构体，其中内酰胺因其能量更稳定，通常是主要存在形式。结合实验和 DFT 计算分析，本研究发现 GA 单元在 IDHP-Br 单体中以内酰胺形式（DHP-NH）存在，因而无法与相邻的 π-共轭单元形成共轭桥。然而，在 PIDHPTT 聚合物的合成过程中，随着聚合物链的增长，越来越多的 DHP-NH 转化为内酰烯形式（DHP-OH）。在最终的聚合物中，所有的 DHP-NH 均转化为 DHP-OH，构建出完全 π-共轭的聚合物主链。这一转变过程受到已形成的 DHP-OH 单元的促进，通过扩展 π-共轭实现能量最小化，展现了前所未见的长程乙烯效应（vinylogous effect）。

PIDHPTT聚合物在p型操作模式下的水栅电极OFET器件中表现出良好的空气和水环境稳定性。在氟离子传感方面，PIDHPTT展现了极高的灵敏度和选择性。DFT计算，紫外-可见光（UV-Vis）光谱和电化学阻抗谱（EIS）分析表明，PIDHPTT中的DHP-OH单元对氟离子的的响应上比其他卤素离子更加显著。基于PIDHPTT的OFET氟离子传感器的LOD达到0.28 μM，远低于世界卫生组织（WHO）推荐的饮用水氟离子浓度范围（26.3-78.9 μM），使其在水中氟离子检测中具有重要应用前景。

本研究不仅开发了高灵敏度的有机场效应晶体管氟离子传感器，还首次发现并验证了非共轭内酰胺能够自发转化为内酰烯，进而构建共轭聚合物。这一发现为新型聚合物半导体的设计与高性能传感器的开发提供了全新思路。