中科院研发离子传感自适应界面 打开智能传感新纪元
在离子传感技术持续演进的背景下，中国科学院合肥物质科学研究院黄行九教授团队近日取得重大突破，成功开发出一种具备高稳定性的自适应集成界面，为智能生物与化学传感器领域带来了革新性的技术路径。该成果以封面文章形式发表于国际权威期刊《Advanced Materials》，彰显我国在新型传感界面设计领域的国际领先地位。
破解传统离子传感技术局限
全固态离子选择电极作为离子传感系统的关键组成，其性能长期受限于界面材料与结构的固有缺陷。黄行九团队在前期研究中指出，传统三明治结构的界面传感器在实际应用中往往因界面电荷传输效率低、结构稳定性差，导致检测精度受限。
针对上述问题，团队提出了一种基于亲脂性二硫化钼（MoS₂）材料，并由十六烷基三甲基铵（CTA⁺）进行调控的新型界面结构。该设计实现了“时空自适应集成”的创新理念，即将传感层与高效 transduction 层直接整合，构建出类似“智能皮肤”的动态响应机制。实验数据显示，新界面的电荷转移效率提升了40%，扩散电流减少了35%，并在-20℃至80℃的宽温范围内保持性能稳定。
通过X射线吸收精细结构分析，研究发现该界面的混合电容机制主要由TFPB⁻阴离子的吸附作用驱动，为界面设计提供了全新的理论支撑。
多离子检测能力显著提升 工业应用验证突出
在针对镉离子（Cd²⁺）的检测实验中，该传感器表现出色：其检测限低至0.1ppb，响应时间不超过5秒，并在pH 3至11的范围内保持线性响应。更重要的是，在某电镀厂废水现场测试中，该传感器连续运行30天后仍能维持超过98%的检测精度，明显优于传统电极约15天的稳定周期。
该自适应界面的应用并不仅限于单一离子检测。研究人员已成功将其拓展至K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺等多种离子传感器，所有传感器均表现出接近能斯特响应的理想特性。其中，铅离子传感器的斜率在25℃下达到58.2 mV/decade，接近理论值59.16 mV/decade，稳定性能提升了60%至80%。
技术原理清晰 未来应用广泛
该界面设计遵循“结构—性能协同优化”的核心理念。CTA⁺分子对MoS₂的调控形成了纳米尺度的离子传输通道，通道直径可根据检测离子的半径自适应变化，从而实现“智能门控”机制。这种结构既提升了检测的特异性，也加快了响应速度。此外，界面材料的层状结构为离子吸附提供了丰富的位点，其实验测得的表面吸附容量高达12.5 μmol/m²，是传统界面的三倍。
黄行九教授表示，这种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一种普适策略。目前，研究团队已与多家医疗设备公司展开合作，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小于2%。在环境监测方面，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，为应对突发性水污染事件提供了快速响应手段。
随着传感器技术与人工智能的深度融合，该界面设计以其出色的稳定性和适应性，有望在生物医学诊断、食品安全控制以及生态环境监测等多个领域推动创新应用，为构建“智能传感网络”提供关键的材料基础。这项研究不仅体现了我国科研人员在纳米界面工程领域的创新能力，也为全球离子检测难题的解决提供了“中国方案”。
参考来源
本文参考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）。