在智能生物与化学传感器领域，离子检测技术的进步始终是科研攻关的重点。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突破性进展，开发出一种高稳定性自适应集成界面，为离子传感领域提供了全新解决方案。该研究成果以封面文章形式发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》，标志着我国在新型传感界面设计领域跻身世界前沿。

传统离子传感的技术瓶颈与创新突破

全固态离子选择电极作为离子传感的核心部件，其性能长期受限于界面材料与结构设计。黄行九团队在前期研究中发现，传统三明治结构界面的传感器在检测常见离子时，常因界面电荷传输效率低、稳定性差而影响检测精度。为突破这一瓶颈，研究团队提出了一种基于亲脂性二硫化钼（MoS₂）并由十六烷基三甲基铵（CTA⁺）调控的新型界面结构。

这种创新设计的核心在于实现了 "时空自适应集成"—— 将单片传感层直接组装在高效 transduction 层之上，形成类似 "智能皮肤" 的动态响应结构。电化学模拟实验显示，新界面的电荷转移效率提升 40%，扩散电流降低 35%，在 - 20℃至 80℃温度范围内均保持稳定性能。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，这一发现为界面设计提供了全新理论基础。

多离子检测的广谱适用性与工业验证

在镉离子（Cd²⁺）检测实验中，该传感器展现出卓越性能：检测限低至 0.1ppb，响应时间小于 5 秒，且在 pH 3-11 的宽范围内保持线性响应。尤为重要的是，研究团队在某电镀厂的工业废水现场测试中，传感器连续运行 30 天仍维持 98% 以上的检测精度，远优于传统电极 15 天左右的稳定周期。

这种自适应界面的优势不仅限于单一离子检测。研究人员成功将其扩展至钾（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，稳定性提升幅度达 60%-80%。

技术原理与未来应用前景

该界面的创新设计遵循 "结构 - 性能协同优化" 原则：CTA⁺对 MoS₂的调控形成了纳米级离子传输通道，其直径可随检测离子半径自适应调整，这种 "智能门控" 机制既保证了检测特异性，又提升了响应速度。同时，界面材料的层状结构为离子吸附提供了丰富位点，实验测得其表面吸附容量达 12.5 μmol/m²，是传统界面的 3 倍。

黄行九教授指出："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普适性策略。" 目前团队已与多家医疗设备厂商合作，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小于 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试验，可同时检测 6 种重金属离子，为突发性水污染事件提供快速检测手段。

随着人工智能与传感器技术的深度融合，这种兼具稳定性与适应性的界面设计，有望在生物医学诊断、食品安全检测、环境监测等领域催生一系列创新应用，为构建 "智能传感网络" 奠定关键材料基础。该研究不仅展现了中国科研团队在纳米界面工程领域的原创能力，也为解决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）。