從環(huán)境監(jiān)測到人體汗液電解質分析都迫切地需求高靈敏、寬檢測范圍的高性能離子傳感器。傳統(tǒng)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系符合能斯特公式，往往存在靈敏度較低的限制。尋求新機制來實現(xiàn)高性能離子傳感具有重要意義。蒸發(fā)驅動的水伏效應是近些年興起的新領域，它是利用水的蒸發(fā)驅動溶液流經過具有交疊雙電層的功能化納米通道，在固 - 液界面相互作用下產生與溶液離子濃度相關聯(lián)的電壓和電流信號。因此，基于交疊雙電層納米通道的水伏器件理論上可以用于高性能離子傳感，然而目前研究主要聚集于提升水伏器件的產電性能，對其離子傳感特性的研究很少。

當前水伏器件的設計主要是通過制備高表面電位的材料，包括碳納米材料、金屬氧化物、MOFs、生物材料等來構筑高離子選擇性的納米通道以提升器件的性能。然而，除了材料表面電位，由納米通道的離子選擇性還受到通道尺寸極大影響，且選擇性隨著通道尺寸的減小而提高。伴隨通道尺寸的減小，納米通道內溶液的流動阻力卻會顯著增加，這會造成推動離子在通道頂端積累的動力減小，引起水伏器件性能的降低。在納米尺度下尋找通道的離子選擇性和流動阻力間的平衡是實現(xiàn)高性能水伏器件關鍵科學問題。

針對上述關鍵科學問題，中科院蘇州納米所張珽研究員團隊報道了一種基于絲素蛋白的納米通道精準調控策略并將其應用于柔性可穿戴水伏離子傳感器。通過對尼龍-66靜電紡絲纖維薄膜浸涂絲素蛋白水溶液，利用絲素蛋白水溶液干燥過程中產生的收縮效應以及絲素蛋白涂層引起的纖維直徑尺寸增加，實現(xiàn)對尼龍-66納米纖維形成的通道的可控調節(jié)，其精度可以實現(xiàn)約25 nm（圖1A、B，圖2A-D）。

由于絲素蛋白中存在大量的酰胺和羧基官能團，尼龍-66納米纖維可以與其形成大量氫鍵，實現(xiàn)異質界面的穩(wěn)定性提升。同時，強極性的羧基官能團也有效地增加了水伏薄膜的表面電位（從-18 mV增加到-46 mV）（圖2E-G，圖4）。通過對絲素蛋白的浸涂量調控，獲得納米通道內溶液流速和離子選擇性間的平衡，實現(xiàn)了4.82 V的開路電壓（圖2H）。該器件對于溶液中離子濃度展現(xiàn)了超高的靈敏度（靈敏度~1.37 V dec-1），寬響應范圍（10-7~100M）（圖3）?；趦?yōu)秀的離子傳感性能，該水伏器件被成功應用于可穿戴汗液傳感和環(huán)境痕量離子檢測（圖5），充分證明了水伏新機制應用于高性能離子傳感方面的可行性。

該工作從構效關系的角度通過精準調控納米通道尺寸和材料表面化學特性，實現(xiàn)了納米通道離子選擇性與流動阻力之間的平衡，為高性能水伏離子傳感器件的設計提供了創(chuàng)新思路。該工作以Silk fibroin-regulated nanochannels for flexible hydrovoltaic ion sensing為題發(fā)表在Advanced Materials上。

該工作是團隊近期關于高性能柔性水伏自驅動傳感相關研究的進展之一。近年來，團隊始終聚焦于高性能水伏器件設計制備及其在柔性可穿戴傳感領域的應用：利用超吸水凝膠構建了便攜式蒸發(fā)驅動水伏發(fā)電機，突破了水伏發(fā)電機固定水槽的束縛，使水伏器件作為可穿戴電子設備的柔性電源平臺用于驅動柔性電子器件（Nano Energy,2020, 72, 104663; Nano Lett.2019, 19, 5544?5552; Nano Energy,2021, 85, 105970.）; 從熱能捕獲和能量傳導的角度構建了具有光熱轉換和熱傳導增強的蒸發(fā)驅動水伏器件，為打破環(huán)境桎梏提升水伏發(fā)電機性能以及設計柔性可穿戴自供能傳感系統(tǒng)提供了新策略（Adv. Mater.,2023, 35, 2304099；Nat. Commun.,2022, 13:1043; Nano Energy,2022, 99, 107356.）。

來源：傳感器專家網(wǎng)