科學家制備水伏離子傳感器能用于可穿戴式汗液電解質(zhì)檢測

從環(huán)境監(jiān)測到人體汗液電解質(zhì)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(zhì)監(jiān)測，對于運動中補充電解質(zhì)以維持良好身體水平衡有著重要的指導意義。

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

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

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制備一種能被簡便使用的高靈敏自供能離子傳感器。

幾年前，學界提出了蒸發(fā)驅(qū)動的水伏效應：即利用水的蒸發(fā)驅(qū)動水溶液流過納米通道，在固-液相互作用下持續(xù)產(chǎn)生電能。

此后，一系列研究都聚焦于提升水伏器件的產(chǎn)電性能上，而該團隊也在這一方向有著豐富積累。

研究中，他們發(fā)現(xiàn)純粹的水伏器件可以產(chǎn)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(chǎn)生了獨辟蹊徑的想法，即將這種新效應用于離子傳感領(lǐng)域，制備一種高靈敏、寬響應范圍的水伏離子傳感器。

此外， 從高性能水伏器件研發(fā)角度來說，材料表面特性和通道的尺寸是兩個最關(guān)鍵的因素。尤其是通道尺寸，它會顯著影響通道內(nèi)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(gòu)成的納米通道尺寸相對固定，難以實現(xiàn)通道尺寸的最優(yōu)化。

為此，他們提出了納米通道精細調(diào)控策略，實現(xiàn)了納米通道的尺寸調(diào)控、表面極性增強與結(jié)構(gòu)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，從而能夠用于可穿戴汗液傳感和環(huán)境微量離子檢測，借此展示了將水伏效應應用于離子傳感的潛力。

事實上， 水伏器件不僅對離子展現(xiàn)出高靈敏度和寬響應范圍的傳感特性，同時基于該效應的水伏器件形態(tài)豐富，尺寸和模量都可以被調(diào)節(jié)。

因此這款柔性水伏離子傳感器非常適合于可穿戴式的汗液電解質(zhì)檢測，故能為運動健康、疾病康復提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

另外， 對于環(huán)境中包括水質(zhì)、空氣等的離子監(jiān)測，水伏離子傳感器也可以發(fā)揮作用。同時，水伏器件本身還具備產(chǎn)電能力，因此可以作為電子器件的能源供給平臺。

對于將蒸發(fā)驅(qū)動的水伏效應應用于離子傳感，李連輝等人在起初是充滿憂慮的。2017年，在蒸發(fā)驅(qū)動水伏效應提出之后，人們開始將其應用于產(chǎn)能領(lǐng)域。

但是， 目前該領(lǐng)域的大多數(shù)研究依舊聚焦于提升其產(chǎn)電性能。此時，將這樣一個新效應應用于離子傳感，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郭萬林院士，他很看好水伏這個方向，并認為水伏現(xiàn)在是問題最多的時候、也是機遇最多的時候。而他們團隊的張珽研究員也非常支持我們?nèi)ヌ剿餍路较颉！?/p>

于是， 他們聯(lián)合完成了本次研究。最終，相關(guān)論文以《基于絲素蛋白調(diào)控納米通道的柔性水伏離子傳感》為題發(fā)表，葛長磊是第一作者，李連輝和張珽擔任共同通訊作者。

盡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著許多挑戰(zhàn)。例如，水伏離子傳感器的響應時間、穩(wěn)定性等問題還等待解決。

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

最終， 他們希望結(jié)合深度學習等技術(shù)構(gòu)建完整的檢測-反饋系統(tǒng)，將水伏器件變成測得準、測得快、測得穩(wěn)的離子傳感器。 （綜合整理報道）（策劃/多洛米）