中科院团队开发离子传感自适应界面，开启智能传感器新篇章
在智能生物与化学传感器领域，离子检测技术的发展始终是科研攻关的重要方向。近日，中国科学院合肥物质科学研究院黄行九教授团队取得关键突破，开发出一种高稳定性的自适应集成界面，为离子传感领域带来全新可能性。研究成果以封面文章形式发表于国际权威期刊《Advanced Materials》，彰显了我国在新型传感界面设计领域的前沿地位。
传统离子传感技术的挑战与创新突破
全固态离子选择电极作为离子传感系统的核心组件，其性能长期以来受限于界面材料与结构设计的局限性。黄行九团队的前期研究表明，传统三明治结构的传感器在检测常见离子时，常因界面电荷传输效率低和稳定性不足，影响整体检测精度。
为破解这一难题，研究团队提出了一种基于亲脂性二硫化钼（MoS₂）材料，并通过十六烷基三甲基铵（CTA⁺）调控的新型界面结构。这种设计的核心理念是实现“时空自适应集成”，即将传感层直接组装在高效的换能层之上，构建出类似“智能皮肤”的动态响应界面。
实验数据显示，新界面的电荷转移效率提升了40%，扩散电流降低了35%，并且在-20℃至80℃的温度范围内均表现出优异的稳定性。X射线吸收精细结构分析进一步揭示，其独特的混合电容机制由TFPB⁻阴离子的吸附所驱动，为界面材料设计提供了新的理论支撑。
多离子检测的广谱适用性与工业应用验证
在镉离子（Cd²⁺）检测实验中，新型传感器表现出优异性能：检测限低至0.1 ppb，响应时间少于5秒，在pH 3–11范围内保持良好的线性响应。更重要的是，该传感器在某电镀厂的工业废水检测中连续运行30天后仍保持超过98%的精度，显著优于传统电极约15天的稳定周期。
该自适应界面的应用范围并不仅限于单一离子检测。研究团队已成功将其拓展至钾（K⁺）、钠（Na⁺）、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、铅（Pb²⁺）、铜（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（Nernstian response）的特性，其中铅离子检测斜率达到58.2 mV/decade（25℃），接近理论值59.16 mV/decade，稳定性提升了60%至80%。
技术原理与应用前景
该界面的设计遵循“结构—性能协同优化”原则。CTA⁺对MoS₂的调控作用，形成了可随检测离子半径自适应调整的纳米级离子传输通道，这种“智能门控”机制在保持高检测特异性的同时，也显著提升了响应速度。
此外，界面材料的层状结构为离子吸附提供了丰富的活性位点，实测表明其表面吸附容量达到12.5 μmol/m²，为传统界面的三倍。
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设计提供了通用性策略。目前，研究团队已与多家医疗设备企业合作，将该技术应用于可穿戴式电解质监测设备。首批样品在模拟汗液环境中对钠离子的检测误差低于2%。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测试，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技术的融合加深，这种兼具稳定性和适应性的界面设计，有望在生物医学诊断、食品安全检测、环境监测等领域推动一系列创新应用，为构建“智能传感网络”提供关键的材料基础。该研究不仅展示了我国科研团队在纳米界面工程方面的创新能力，也为全球离子检测难题提供了解决方案。
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）。