科學家制備水伏離子傳感器，能用於可穿戴式汗液電解質檢測

從環境監測到人體汗液電解質水平分析，離子傳感器都是一個重要的核心元器件。尤其是汗液電解質監測，對於運動中補充電解質以維持良好身體水離平衡有着重要的指導意義。

固體接觸離子選擇電極（SC-ISE，solid-contact ion-selective electrodes）的電極膜電位，與待測離子含量之間的關係，符合能斯特這一方程式。

即 10 倍的離子活度變化對應着 59.2/zi mV 的電位變化（即靈敏度，其中 zi 爲離子價態）。

另一方面，SC-ISEs 在使用時往往需要先進行標定等操作。因此，中國科學院蘇州納米所李連輝博士和所在團隊希望可以製備一種能被簡便使用的高靈敏自供能離子傳感器。

圖 | 李連輝（來源：李連輝）

幾年前，學界提出了蒸發驅動的水伏效應：即利用水的蒸發驅動水溶液流過納米通道，在固-液相互作用下持續產生電能。

此後，一系列研究都聚焦於提升水伏器件的產電性能上，而該團隊也在這一方向有着豐富積累。

研究中，他們發現純粹的水伏器件可以產生較大的開路電壓（超過 3V），且會受到溶液中的離子濃度影響。

這讓他們產生了獨闢蹊徑的想法，即將這種新效應用於離子傳感領域，製備一種高靈敏、寬響應範圍的水伏離子傳感器。

此外，從高性能水伏器件構建角度來說，材料表面特性和通道的尺寸是兩個最關鍵的因素。尤其是通道尺寸，它會顯著影響通道內的溶液流動阻力。

通過合成高表面極性材料再組裝的方法，是一種增強納米通道離子選擇性的可靠方法。但是，材料組裝構成的納米通道尺寸相對固定，難以實現通道尺寸的最優化。

爲此，他們提出了納米通道精細調控策略，實現了納米通道的尺寸調控、表面極性增強與結構綁定。

這樣一來水伏器件的室溫開路電壓達到 4.82V，離子傳感的靈敏度最大達到了 1.37V dec-1，從而能夠用於可穿戴汗液傳感和環境微量離子檢測，藉此展示了將水伏效應應用於離子傳感的潛力。

（來源：Advanced Materials）

事實上，水伏器件不僅對離子展現出高靈敏度和寬響應範圍的傳感特性，同時基於該效應的水伏器件形態豐富，尺寸和模量都可以被可調節。

因此這款柔性水伏離子傳感器非常適合於可穿戴式的汗液電解質檢測，故能爲運動健康、疾病康復提供可靠的數據支撐。

另外，對於環境中包括水質、空氣等的離子監測，水伏離子傳感器也可以發揮作用。同時，水伏器件本身還具備產電能力，因此可以作爲電子器件的能源供給平臺。

對於將蒸發驅動的水伏效應應用於離子傳感，李連輝等人在起初是充滿憂慮的。2017 年，在蒸發驅動水伏效應提出之後，人們開始將其應用於產能領域。

但是，目前該領域的大多數研究依舊聚焦於提升其產電性能。此時，將這樣一個新效應應用於離子傳感，他們十分擔心這個方向是否可以走得通，以及能否被同行專家所認可。

李連輝說：“恰巧那時我一個會議上遇見了院士，他很看好水伏這個方向，並認爲水伏現在是問題最多的時候、也是機遇最多的時候。而他們團隊的研究員也非常支持我們去探索新方向。”

於是，他們聯合完成了本次研究。最終，相關論文以《基於絲素蛋白調控納米通道的柔性水伏離子傳感》（）爲題發在 Advanced Materials[1]，葛長磊是第一作者，李連輝和擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

儘管本次工作證明水伏效應在離子傳感上擁有巨大的應用潛力，但是距離可靠的應用還面臨着許多挑戰。例如，水伏離子傳感器的響應時間、穩定性等問題還等待解決。

下一步，他們將圍繞這些挑戰，通過對納米通道和表面特性的進一步優化，來實現水伏離子傳感器的響應時間、穩定性甚至離子選擇性的提升。

最終，他們希望結合深度學習等技術構建完整的檢測-反饋系統，將水伏器件變成測得準、測得快、測得穩的離子傳感器。

參考資料：

1.Ge, C., Wang, Y., Wang, M., Zheng, Z., Wang, S., Kong, Y., ... & Zhang, T. (2023). Silk Fibroin‐Regulated Nanochannels for Flexible Hydrovoltaic Ion Sensing.Advanced Materials, 2310260.

排版：朵克斯

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