研究提出基于自適應(yīng)一體式界面的高穩(wěn)定離子傳感新策略

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員黃行九團隊針對離子傳感界面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性進行研究，開發(fā)了一種高穩(wěn)定性自適應(yīng)一體式界面。

全固態(tài)離子選擇電極作為智能生物和化學(xué)傳感器的關(guān)鍵組成部分，近年來展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。研究團隊在前期工作中，基于三明治型全固態(tài)界面結(jié)構(gòu)開發(fā)了一系列轉(zhuǎn)導(dǎo)層材料，實現(xiàn)了多種常見電解質(zhì)離子的高穩(wěn)定性檢測。研究發(fā)現(xiàn)，離子傳感性能對傳感器的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，其性能本質(zhì)上受限于傳感界面的材料特性及結(jié)構(gòu)特征。

基于此，團隊進一步開發(fā)了一種基于十六烷基三甲基銨（CTA+）調(diào)控的親脂性二硫化鉬（2.0 CTA-MoS2）高穩(wěn)定性自適應(yīng)一體式傳感界面。該界面通過時空自適應(yīng)調(diào)控，實現(xiàn)底部轉(zhuǎn)導(dǎo)層與頂部單片式傳感結(jié)構(gòu)的自發(fā)無縫集成，從而確保了界面優(yōu)異的適應(yīng)性。

通過深入研究系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)的合理性以及界面作用機制，團隊基于電化學(xué)模型數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)一體式界面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有最大轉(zhuǎn)導(dǎo)層電荷電流和最小擴散電流的最佳界面穩(wěn)定性。結(jié)合同步輻射XAFS技術(shù)，進一步揭示了親脂性陰離子（TFPB-）在2.0 CTA-MoS2表面吸附驅(qū)動的混合電容轉(zhuǎn)導(dǎo)機制。

在應(yīng)用驗證方面，以鎘離子檢測為例，自適應(yīng)一體式鎘離子選擇界面展現(xiàn)出優(yōu)異的界面穩(wěn)定性（24 h漂移率為5.51±0.32 μV·h-1，30天靈敏度損失4.77%）和較高的選擇性，同時實現(xiàn)了對工業(yè)廢水樣品的準(zhǔn)確檢測（回收率90%—115%），顯示出實際應(yīng)用潛力。

此外，研究團隊開發(fā)的具有自適應(yīng)一體式界面結(jié)構(gòu)的通用陽離子選擇性傳感器（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Pb2+、Cd2+和Cu2+），在寬線性范圍內(nèi)展現(xiàn)出近能斯特響應(yīng)。與基于2.0 CTA-MoS2所構(gòu)建的全固態(tài)及單片式界面結(jié)構(gòu)相比，該設(shè)計顯著提升了傳感界面的穩(wěn)定性。

該研究工作為高性能傳感界面構(gòu)建提供了有效策略和重要參考。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。

來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所