中科院团队研发离子传感自适应界面，开启智能传感器新纪元
在智能生物与化学传感器的持续演进中，离子检测技术的革新始终是科研领域的重要课题。近期，中国科学院合肥物质科学研究院黄行九教授团队在离子传感领域取得重要成果，成功开发出一种高稳定性、自适应集成界面，为该领域带来突破性解决方案。该项研究被选为《Advanced Materials》期刊封面文章发表，标志着我国在新型传感界面设计方面已跻身全球前沿。
传统离子传感技术的挑战与最新突破
全固态离子选择性电极作为离子传感系统的核心组件，其性能长期受到界面材料与结构设计的限制。黄行九团队在早期研究中发现，传统的“三明治”结构在检测常见离子时，因界面电荷传输效率偏低和稳定性不足，常导致检测精度下降。针对这一技术瓶颈，研究团队创新性地提出了一种以亲脂性二硫化钼（MoS₂）为基础，并由十六烷基三甲基铵（CTA⁺）调控的新型界面结构。
这项设计的精髓在于实现“时空自适应集成”：将单片传感层直接构建于高效的 transduction 层之上，形成具有“智能皮肤”般动态响应能力的结构。通过电化学模拟验证，该新界面的电荷转移效率提高了 40%，扩散电流下降 35%，在 -20℃ 至 80℃ 的温度范围内仍能保持稳定性能。X 射线吸收精细结构分析显示，其独特的混合电容机制源自 TFPB⁻ 阴离子的吸附，为界面设计提供了新的理论依据。
多离子检测的广泛适用性与工业实测表现
在对镉离子（Cd²⁺）的检测实验中，该传感器展现出优异的性能：检测限低至 0.1 ppb，响应时间不足 5 秒，且在 pH 3–11 的广泛范围内保持线性响应。更值得一提的是，研究团队在某电镀厂工业废水现场进行了为期 30 天的连续测试，传感器仍保持 98% 以上的检测精度，显著优于传统电极约 15 天的稳定周期。
这种自适应界面的应用潜力不仅限于单一离子检测。研究团队成功将其拓展到钾（K⁺）、钠（Na⁺）、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、铅（Pb²⁺）、铜（Cu²⁺）等多种离子检测任务。所有传感器均表现出接近能斯特响应的性能，其中铅离子检测斜率在 25℃ 条件下达到 58.2 mV/decade，接近理论值 59.16 mV/decade，稳定性提升幅度达到 60%-80%。
技术创新原理与应用前景展望
该界面的设计理念遵循“结构–性能协同优化”原则：CTA⁺ 对 MoS₂ 的调控形成了纳米级的离子传输通道，其通道直径能够根据检测离子的半径自适应调整。这种“智能门控”机制既保障了检测的特异性，也提高了响应速度。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，实验测定其表面吸附容量可达 12.5 μmol/m²，为传统材料的三倍。
黄行九教授表示，这项自适应界面技术为高性能离子传感器的开发提供了通用设计策略。目前，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式电解质监测设备。初步测试表明，设备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也已完成田间试验，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日益融合，这类兼具稳定性和适应性的界面设计有望推动生物医学诊断、食品安全检测、环境监测等领域的创新应用，为构建“智能传感网络”提供关键材料支撑。这项研究不仅展示了我国在纳米界面工程领域的原创实力，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
本文依据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）整理，原文链接：https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202506/t20250616_1045662.shtml。完整研究内容请参阅《Advanced Materials》期刊论文（2025 年，DOI 待补充）。