- 中科院團隊研發離子傳感穩定自適應界面 為智能傳感器開辟新路徑
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2025/6/27
在智能生物與化學傳感器領域，離子檢測技術的進步始終是科研攻關的重點。近日，中國科學院合肥物質科學研究院黃行九教授團隊取得突破性進展，開發出一種高穩定性自適應集成界面，為離子傳感領域提供了全新解決方案。該研究成果以封面文章形式發表于國際頂級期刊《Advanced Materials》，標志著我國在新型傳感界面設計領域躋身世界前沿。
傳統離子傳感的技術瓶頸與創新突破
全固態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構設計。黃行九團隊在前期研究中發現，傳統三明治結構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、穩定性差而影響檢測精度。為突破這一瓶頸，研究團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⁺）調控的新型界面結構。
這種創新設計的核心在于實現了 "時空自適應集成"—— 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" 的動態響應結構。電化學模擬實驗顯示，新界面的電荷轉移效率提升 40%，擴散電流降低 35%，在 - 20℃至 80℃溫度范圍內均保持穩定性能。X 射線吸收精細結構分析進一步揭示，其獨特的混合電容機制由 TFPB⁻陰離子吸附驅動，這一發現為界面設計提供了全新理論基礎。
多離子檢測的廣譜適用性與工業驗證
在鎘離子（Cd²⁺）檢測實驗中，該傳感器展現出卓越性能：檢測限低至 0.1ppb，響應時間小于 5 秒，且在 pH 3-11 的寬范圍內保持線性響應。尤為重要的是，研究團隊在某電鍍廠的工業廢水現場測試中，傳感器連續運行 30 天仍維持 98% 以上的檢測精度，遠優于傳統電極 15 天左右的穩定周期。
這種自適應界面的優勢不僅限于單一離子檢測。研究人員成功將其擴展至鉀（K⁺）、鈉（Na⁺）、鈣（Ca²⁺）、鎂（Mg²⁺）、鉛（Pb²⁺）、銅（Cu²⁺）等多種離子傳感器，所有傳感器均呈現近能斯特響應（Nernstian response），其中鉛離子檢測的斜率達到 58.2 mV/decade（25℃），接近理論值 59.16 mV/decade，穩定性提升幅度達 60%-80%。
技術原理與未來應用前景
該界面的創新設計遵循 "結構 - 性能協同優化" 原則：CTA⁺對 MoS₂的調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調整，這種 "智能門控" 機制既保證了檢測特異性，又提升了響應速度。同時，界面材料的層狀結構為離子吸附提供了豐富位點，實驗測得其表面吸附容量達 12.5 μmol/m²，是傳統界面的 3 倍。
黃行九教授指出："這種自適應界面技術為下一代高性能離子傳感器設計提供了普適性策略。" 目前團隊已與多家醫療設備廠商合作，將該技術應用于可穿戴式電解質監測設備，首批樣品在模擬汗液環境中對鈉離子的檢測誤差小于 2%。在環境監測領域，基于該界面的便攜式水質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的深度融合，這種兼具穩定性與適應性的界面設計，有望在生物醫學診斷、食品安全檢測、環境監測等領域催生一系列創新應用，為構建 "智能傳感網絡" 奠定關鍵材料基礎。該研究不僅展現了中國科研團隊在納米界面工程領域的原創能力，也為解決全球范圍內的離子檢測難題提供了 "中國方案"。
參考來源
本文參考中國科學院官網報道《新型離子傳感界面研究取得進展》（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 待補充）。
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