中科院团队开发新型自适应界面，推动离子传感技术革新
在智能生物与化学传感器的发展进程中，离子检测技术始终是科研人员关注的核心方向之一。近日，中国科学院合肥物质科学研究院黄行九教授带领的团队成功开发出一种具有高稳定性的自适应集成界面，为离子传感技术提供了全新的技术路径。该成果以封面文章的形式发表在国际权威期刊《Advanced Materials》上，标志着我国在传感界面设计领域已达到国际先进水平。
传统离子传感技术的局限与新突破
全固态离子选择电极是离子传感器的核心组件，但其性能长期受到界面材料与结构设计的限制。黄行九团队此前的研究发现，传统的三明治结构界面在检测常见离子时，往往因电荷传输效率低下和稳定性不足而影响整体精度。为了突破这一瓶颈，研究团队提出了一种创新方案，采用亲脂性二硫化钼（MoS₂）作为基础材料，并通过十六烷基三甲基铵（CTA⁺）进行调控，构建出一种新型界面结构。
该界面结构的核心优势在于实现了“时空自适应集成”——通过将单片传感层直接组装在高效 transduction 层上，形成类似“智能皮肤”的动态响应系统。电化学模拟实验表明，新界面的电荷转移效率提升了40%，扩散电流减少了35%，并且在-20℃至80℃的宽温范围内均表现出良好的稳定性。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⁻阴离子吸附驱动，为界面优化提供了新的理论支持。
广泛适用性与工业验证
在针对镉离子（Cd²⁺）的检测实验中，该传感器表现出色：检测限低至0.1 ppb，响应时间小于5秒，并在pH 3-11范围内保持线性响应。尤为重要的是，在某电镀厂废水的现场测试中，传感器连续运行30天后，检测精度仍维持在98%以上，远超传统电极15天左右的稳定性。
这一自适应界面的应用范围并不局限于单一离子检测。研究团队还成功将其拓展至钾（K⁺）、钠（Na⁺）、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、铅（Pb²⁺）、铜（Cu²⁺）等多种离子传感器。所有传感器均呈现接近能斯特响应（Nernstian response），其中铅离子检测的斜率达到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
该自适应界面的设计遵循“结构-性能协同优化”原则。CTA⁺对MoS₂的调控形成纳米级离子传输通道，其直径可根据检测离子的半径自动调整，实现了类似“智能门控”的机制，既提升了响应速度，又增强了检测特异性。此外，界面的层状结构提供了丰富的离子吸附位点，实验测得其表面吸附容量达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高性能离子传感器的设计提供了普适性的策略。” 目前，该技术已与多家医疗设备企业展开合作，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，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、环境监测等多个领域推动创新应用。该研究不仅体现了中国科研团队在纳米界面工程方面的创新能力，也为全球范围内的离子检测难题提供了“中国方案”。
参考来源
本文参考自中国科学院官网发布的《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）。