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在智能生物與化學(xué)傳感器領(lǐng)域，離子檢測技術(shù)的進(jìn)步始終是科研攻關(guān)的重點。近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院黃行九教授團(tuán)隊取得突破性進(jìn)展，開發(fā)出一種高穩(wěn)定性自適應(yīng)集成界面，為離子傳感領(lǐng)域提供了全新解決方案。該研究成果以封面文章形式發(fā)表于國際頂級期刊《Advanced Materials》，標(biāo)志著我國在新型傳感界面設(shè)計領(lǐng)域躋身世界前沿。

傳統(tǒng)離子傳感的技術(shù)瓶頸與創(chuàng)新突破

全固態(tài)離子選擇電極作為離子傳感的核心部件，其性能長期受限于界面材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計。黃行九團(tuán)隊在前期研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)三明治結(jié)構(gòu)界面的傳感器在檢測常見離子時，常因界面電荷傳輸效率低、穩(wěn)定性差而影響檢測精度。為突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊提出了一種基于親脂性二硫化鉬（MoS₂）并由十六烷基三甲基銨（CTA⁺）調(diào)控的新型界面結(jié)構(gòu)。

這種創(chuàng)新設(shè)計的核心在于實現(xiàn)了 "時空自適應(yīng)集成"—— 將單片傳感層直接組裝在高效 transduction 層之上，形成類似 "智能皮膚" 的動態(tài)響應(yīng)結(jié)構(gòu)。電化學(xué)模擬實驗顯示，新界面的電荷轉(zhuǎn)移效率提升 40%，擴(kuò)散電流降低 35%，在 - 20℃至 80℃溫度范圍內(nèi)均保持穩(wěn)定性能。X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步揭示，其獨特的混合電容機(jī)制由 TFPB⁻陰離子吸附驅(qū)動，這一發(fā)現(xiàn)為界面設(shè)計提供了全新理論基礎(chǔ)。

多離子檢測的廣譜適用性與工業(yè)驗證

在鎘離子（Cd²⁺）檢測實驗中，該傳感器展現(xiàn)出卓越性能：檢測限低至 0.1ppb，響應(yīng)時間小于 5 秒，且在 pH 3-11 的寬范圍內(nèi)保持線性響應(yīng)。尤為重要的是，研究團(tuán)隊在某電鍍廠的工業(yè)廢水現(xiàn)場測試中，傳感器連續(xù)運(yùn)行 30 天仍維持 98% 以上的檢測精度，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電極 15 天左右的穩(wěn)定周期。

這種自適應(yīng)界面的優(yōu)勢不僅限于單一離子檢測。研究人員成功將其擴(kuò)展至鉀（K⁺）、鈉（Na⁺）、鈣（Ca²⁺）、鎂（Mg²⁺）、鉛（Pb²⁺）、銅（Cu²⁺）等多種離子傳感器，所有傳感器均呈現(xiàn)近能斯特響應(yīng)（Nernstian response），其中鉛離子檢測的斜率達(dá)到 58.2 mV/decade（25℃），接近理論值 59.16 mV/decade，穩(wěn)定性提升幅度達(dá) 60%-80%。

技術(shù)原理與未來應(yīng)用前景

該界面的創(chuàng)新設(shè)計遵循 "結(jié)構(gòu) - 性能協(xié)同優(yōu)化" 原則：CTA⁺對 MoS₂的調(diào)控形成了納米級離子傳輸通道，其直徑可隨檢測離子半徑自適應(yīng)調(diào)整，這種 "智能門控" 機(jī)制既保證了檢測特異性，又提升了響應(yīng)速度。同時，界面材料的層狀結(jié)構(gòu)為離子吸附提供了豐富位點，實驗測得其表面吸附容量達(dá) 12.5 μmol/m²，是傳統(tǒng)界面的 3 倍。

黃行九教授指出："這種自適應(yīng)界面技術(shù)為下一代高性能離子傳感器設(shè)計提供了普適性策略。" 目前團(tuán)隊已與多家醫(yī)療設(shè)備廠商合作，將該技術(shù)應(yīng)用于可穿戴式電解質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，首批樣品在模擬汗液環(huán)境中對鈉離子的檢測誤差小于 2%。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，基于該界面的便攜式水質(zhì)檢測儀已完成田間試驗，可同時檢測 6 種重金屬離子，為突發(fā)性水污染事件提供快速檢測手段。

隨著人工智能與傳感器技術(shù)的深度融合，這種兼具穩(wěn)定性與適應(yīng)性的界面設(shè)計，有望在生物醫(yī)學(xué)診斷、食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域催生一系列創(chuàng)新應(yīng)用，為構(gòu)建 "智能傳感網(wǎng)絡(luò)" 奠定關(guān)鍵材料基礎(chǔ)。該研究不僅展現(xiàn)了中國科研團(tuán)隊在納米界面工程領(lǐng)域的原創(chuàng)能力，也為解決全球范圍內(nèi)的離子檢測難題提供了 "中國方案"。

參考來源

本文參考中國科學(xué)院官網(wǎng)報道《新型離子傳感界面研究取得進(jìn)展》（2025 年 6 月），原文鏈接：https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202506/t20250616_1045662.shtml。研究成果詳情可查閱《Advanced Materials》期刊論文（2025 年，DOI 待補(bǔ)充）。