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(yùn)動中補(bǔ)充電解質(zhì)以維持良好身體水平衡有著重要的指導(dǎo)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(yīng)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(jìn)行標(biāo)定等操作。因此，中國科學(xué)院蘇州納米所李連輝博士和所在團(tuán)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(xué)界提出了蒸發(fā)驅(qū)動的水伏效應(yīng)：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(tuán)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(dú)辟蹊徑的想法，即將這種新效應(yīng)用于離子傳感領(lǐng)域，制備一種高靈敏、寬響應(yīng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)通道尺寸的最優(yōu)化。

為此，他們提出了納米通道精細(xì)調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了納米通道的尺寸調(diào)控、表面極性增強(qiáng)與結(jié)構(gòu)綁定。

這樣一來，水伏器件的室溫開路電壓達(dá)到4.82V ，離子傳感的靈敏度最大達(dá)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(yīng)應(yīng)用于離子傳感的潛力。

事實(shí)上， 水伏器件不僅對離子展現(xiàn)出高靈敏度和寬響應(yīng)范圍的傳感特性，同時基于該效應(yīng)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(yùn)動健康、疾病康復(fù)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(yīng)應(yīng)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(yīng)提出之后，人們開始將其應(yīng)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(yīng)應(yīng)用于離子傳感，他們十分擔(dān)心這個方向是否可以走得通，以及能否被同行專家所認(rèn)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(rèn)為水伏現(xiàn)在是問題最多的時候、也是機(jī)遇最多的時候。而他們團(tuán)隊的張珽研究員也非常支持我們?nèi)ヌ剿餍路较?。?/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(dān)任共同通訊作者。

盡管本次工作證明水伏效應(yīng)在離子傳感上擁有巨大的應(yīng)用潛力，但是距離可靠的應(yīng)用還面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，水伏離子傳感器的響應(yīng)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(jìn)一步優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)水伏離子傳感器的響應(yīng)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(xué)習(xí)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(zhǔn)、測得快、測得穩(wěn)的離子傳感器。 （綜合整理報道）（策劃/多洛米）