中科院团队研发离子传感自适应界面 为传感器技术带来新突破
在智能生物与化学传感领域，离子检测技术的持续演进始终是科研攻关的核心方向。中国科学院合肥物质科学研究院黄行九教授团队近期在这一领域取得重要成果，开发出一种高稳定性、自适应的集成离子传感界面，为新一代传感器设计提供了新的技术路径。该成果以封面文章形式发表于《Advanced Materials》，彰显我国在新型传感材料与界面设计方面已跻身国际先进水平。
传统离子传感的限制与关键技术突破
全固态离子选择性电极作为离子传感系统中的关键组件，其性能表现长期以来受到界面材料与结构设计的制约。黄行九团队在前期研究中发现，传统“三明治”结构的电极在检测多种常见离子时，常常因界面电荷传输效率偏低、长期稳定性不佳，进而影响测量精度。
为此，研究团队提出了一种创新性的界面构型，采用亲脂性的二硫化钼（MoS₂）材料，并引入十六烷基三甲基铵（CTA⁺）作为界面调控剂。这种设计成功构建出一种具有“时空自适应”特性的集成传感结构，其传感层直接构建于高效的信号转导层之上，形似“智能皮肤”的动态响应机制。
实验数据显示，该新型界面的电荷转移效率提升了40%，扩散电流下降了35%，并在-20℃至80℃的广泛温度区间内保持性能稳定。通过X射线吸收精细结构分析进一步证实，混合型电容行为主要由TFPB⁻阴离子的吸附作用驱动，为界面材料的优化设计提供了理论支撑。
多离子检测能力与工业环境验证
在针对镉离子（Cd²⁺）的实验中，新型传感器展现出显著优势：其检测限可达0.1 ppb，响应时间少于5秒，并且在pH值3至11的范围内保持良好的线性响应。更重要的是，在某电镀厂实际废水中的连续运行测试中，该传感器在30天内仍保持98%以上的检测精度，远优于传统电极15天左右的稳定性。
这种自适应界面的应用前景不仅限于镉离子检测。研究人员将其拓展至包括钾（K⁺）、钠（Na⁺）、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、铅（Pb²⁺）和铜（Cu²⁺）在内的多种离子检测任务。所有传感器均表现出接近能斯特响应的性能，其中铅离子检测的响应斜率达到58.2 mV/decade（25℃），接近理论极限值59.16 mV/decade，稳定性提升幅度达到60%至80%。
技术原理与应用前景展望
该自适应界面的设计遵循“结构—性能协同优化”的理念，通过CTA⁺对MoS₂的调控，形成了可随检测离子尺寸变化的纳米级离子传输通道，实现了类似“智能门控”的自适应响应机制。这种结构不仅提升了检测的选择性和灵敏度，也加快了响应速度。
此外，界面材料的层状结构提供了丰富的离子吸附位点，实验测得其吸附容量为12.5 μmol/m²，是传统界面的三倍。黄行九教授表示：“这项自适应界面技术为下一代高性能离子传感器的设计提供了具有普适性的解决方案。”
目前，研究团队已与多家医疗设备企业展开合作，将该技术应用于可穿戴电解质监测设备。初步测试结果显示，在模拟汗液环境中对钠离子的检测误差控制在2%以内。在环境监测领域，基于该界面的便携式水质检测仪已完成田间试验，能够同时检测六种重金属离子，为突发性水污染事件提供快速响应手段。
随着人工智能与传感器技术的深度融合，该界面技术具备在生物医学诊断、食品安全监控以及环境监测等领域催生创新应用的潜力。它不仅为构建“智能传感网络”提供了关键材料基础，也体现了中国科研团队在纳米界面工程领域的自主创新能力，为全球离子检测难题提供了具有中国特色的解决路径。
参考来源
本文参考自中国科学院官网报道《新型离子传感界面研究取得进展》（2025年6月），原文链接：https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202506/t20250616_1045662.shtml。研究成果详情可查阅《Advanced Materials》期刊论文（2025年，DOI待补充）。