蘇州納米所：基于絲素蛋白調(diào)控納米通道的柔性水伏離子傳感

從環(huán)境監(jiān)測(cè)到人體汗液電解質(zhì)分析都迫切地需求高靈敏、寬檢測(cè)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(cè)離子含量之間的關(guān)系符合能斯特公式，往往存在靈敏度較低的限制。尋求新機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能離子傳感具有重要意義。蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏效應(yīng)是近些年興起的新領(lǐng)域，它是利用水的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)溶液流經(jīng)過(guò)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(chǎn)生與溶液離子濃度相關(guān)聯(lián)的電壓和電流信號(hào)。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(chǎn)電性能，對(duì)其離子傳感特性的研究很少。

當(dāng)前水伏器件的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)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(lái)構(gòu)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(nèi)溶液的流動(dòng)阻力卻會(huì)顯著增加，這會(huì)造成推動(dòng)離子在通道頂端積累的動(dòng)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(dòng)阻力間的平衡是實(shí)現(xiàn)高性能水伏器件關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，中科院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于絲素蛋白的納米通道精準(zhǔn)調(diào)控策略并將其應(yīng)用于柔性可穿戴水伏離子傳感器。通過(guò)對(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的收縮效應(yīng)以及絲素蛋白涂層引起的纖維直徑尺寸增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)尼龍-66納米纖維形成的通道的可控調(diào)節(jié)，其精度可以實(shí)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(tuán)，尼龍-66納米纖維可以與其形成大量氫鍵，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)界面的穩(wěn)定性提升。同時(shí)，強(qiáng)極性的羧基官能團(tuán)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(guò)對(duì)絲素蛋白的浸涂量調(diào)控，獲得納米通道內(nèi)溶液流速和離子選擇性間的平衡，實(shí)現(xiàn)了4.82 V的開(kāi)路電壓（圖2H）。該器件對(duì)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(yīng)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(yīng)用于可穿戴汗液傳感和環(huán)境痕量離子檢測(cè)（圖5），充分證明了水伏新機(jī)制應(yīng)用于高性能離子傳感方面的可行性。

該工作從構(gòu)效關(guān)系的角度通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控納米通道尺寸和材料表面化學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了納米通道離子選擇性與流動(dòng)阻力之間的平衡，為高性能水伏離子傳感器件的設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高性能柔性水伏自驅(qū)動(dòng)傳感相關(guān)研究的進(jìn)展之一。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)始終聚焦于高性能水伏器件設(shè)計(jì)制備及其在柔性可穿戴傳感領(lǐng)域的應(yīng)用：利用超吸水凝膠構(gòu)建了便攜式蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)水伏發(fā)電機(jī)，突破了水伏發(fā)電機(jī)固定水槽的束縛，使水伏器件作為可穿戴電子設(shè)備的柔性電源平臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)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(dǎo)的角度構(gòu)建了具有光熱轉(zhuǎn)換和熱傳導(dǎo)增強(qiáng)的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)水伏器件，為打破環(huán)境桎梏提升水伏發(fā)電機(jī)性能以及設(shè)計(jì)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(lái)源：傳感器專家網(wǎng)